DE19614766C1 - Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen und Reaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung bevorzugt exothermer chemischer Reaktionen in einem räumlich langgestreckten Reaktor mit einer Reaktionszone, insbesondere zur Durchführung der Naßoxidation von Klärschlämmen in einem Tiefschachtreaktor gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Reaktor zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der US 4 744 909 ist ein Reaktor bekannt, der in Form eines Tiefschachtreaktors gebaut ist und zur Durchführung der Naßoxidation von Klärschlämmen geeignet ist. Der eigentliche Reaktor ist ein Doppelrohrsystem und besteht im wesentlichen aus zwei koaxial ineinander geführten und in ein entsprechendes Bohrloch abgesenkten Rohren. Das Außenrohr ist an seinem unteren Ende durch einen Boden dicht verschlossen. Das Innenrohr hat einen deutlich kleineren Durchmesser als das Außenrohr und endet unter Belassung eines Durchtrittsspaltes in der Nähe des Bodens des Außenrohres. Auf diese Weise wird ein Strömungsweg für ein fließfähiges Medium geschaffen, das durch das Innere des Innenrohres und den Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr fließen kann. Somit entstehen für dieses Medium zwei entgegengesetzt gerichtete Strömungsabschnitte. Das Innenrohr und das Außenrohr sind an der der Erdoberfläche zugewandten Seite der Rohre jeweils mit einem Anschluß für die Zu- bzw. Ableitung des zu behandelnden Mediums versehen. Je nachdem, welcher Anschluß mit der Zuleitung verbunden wird, kann die Strömungsrichtung durch den Reaktor verändert werden.

Da der Reaktor für exotherme Reaktionen vorgesehen ist, muß sichergestellt werden, daß die entstehende Wärme ausreichend schnell abgeführt wird, damit eine örtliche Überhitzung des Reaktors selbst vermieden wird. Ein wesentlicher Teil der entstehenden Wärme wird mit dem am Ausgang des Reaktors ausströmenden Effluent, das aus den Reaktionsprodukten gebildet wird, abgeführt. Da das am Eingang zugeführte Influent üblicherweise Umgebungstemperatur aufweist, findet durch die Rohrwand des Innenrohrs hindurch ein Wärmeübergang vom erhitzten Effluent, das auf der Außenseite des Innenrohres strömt, zum kälteren Influent hin statt, so daß dieses bis in die Nähe der Reaktionstemperatur erwärmt wird.

Je nach Art der stattfindenden Reaktion und der dabei freigesetzten Wärmemenge kann die Austragung von Wärme allein durch das Effluent unzureichend sein. Daher ist dieser bekannte Reaktor mit einem zusätzlichen Kühlsystem ausgerüstet, das durch einen indirekten Wärmeaustausch wirkt. Hierzu ist im Inneren des Innenrohres wiederum koaxial zu diesem verlaufend ein weiteres Doppelrohrsystem angeordnet, das im Prinzip in gleicher Weise aufgebaut ist, wie das aus dem Innenrohr und dem Außenrohr des Reaktors bestehende Doppelrohrsystem. Das bedeutet, daß wiederum ein am unteren Ende durch einen Boden verschlossenes Wärmetauscheraußenrohr vorgesehen ist in dessen Innerem ein an seinem unteren Ende offenes Wärmetauscherinnenrohr angeordnet ist. Das Wärmetauscherinnenrohr endet wiederum unter Belassung eines Durchtrittsspaltes in der Nähe des Bodens des Wärmetauscheraußenrohres. Auf diese Weise wird ein Durchströmen der beiden Wärmetauscherrohre von einem Wärmeträgermedium (vorzugsweise Wasser) möglich. Zweckmäßigerweise wird das frische Kühlmedium von oben nach unten durch das Wärmetauscherinnenrohr geführt und strömt dann von unten nach oben durch den Zwischenraum zwischen Wärmetauscherinnen- und außenrohr an die Erdoberfläche zurück. Auf seinem Rückweg findet durch die Wand des Wärmetauscheraußenrohres hindurch der indirekte Wärmeaustausch mit dem auf Prozeßtemperatur befindlichen zu behandelnden Prozeßmedium des Reaktors statt.

Um die chemische Reaktion (z. B. die Naßoxidation von Klärschlamm) ablaufen zu lassen, müssen die Reaktanten, also beispielsweise Klärschlamm auf der einen Seite und Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Medium (z. B. Luft) auf der anderen Seite in ausreichender Menge und unter geeigneten Bedingungen zusammengeführt werden. Für den Fall der Naßoxidation liegen die Werte für die Temperatur und den Druck zum Ablauf des Oxidationsvorgangs zweckmäßigerweise in der Nähe des kritischen Punktes von Wasser, d. h. entweder etwas unterhalb oder etwas oberhalb der kritischen Werte von Druck und Temperatur. Während des Oxidationsvorgangs muß dafür gesorgt werden, daß Druck (über dem Dampfdruck des Wassers) und Temperatur innerhalb festgelegter Grenzwerte gehalten werden, um eine Beschädigung des Reaktors zu vermeiden und andererseits die Aufrechterhaltung der Reaktion zu gewährleisten. Der zur Naßoxidation erforderliche Sauerstoff wird bei dem bekannten Reaktor im Gleichstrom mit dem Influent (Klärschlamm) durch das Innenrohr des Reaktors eingeführt. Hierzu ragen in das Innenrohr von oben Lanzen hinein, durch die der Sauerstoff in unterschiedlichen Tiefen in das Influent abgegeben wird, so daß es sich in Bläschenform mit diesem vermischt. Eine dieser Sauerstofflanzen wird sogar bis hinunter in die sogenannte Reaktionszone geführt, in der die eigentliche chemische Reaktion, also im genannten Beispiel die Naßoxidation stattfindet. Diese Reaktionszone liegt am unteren Ende des Innenrohres und kann sich u. U. bis in den Anfangsbereich des Zwischenraumes zwischen Innenrohr und Außenrohr erstrecken. Bei einem Reaktor von z. B. 1200 m Tiefe beginnt die Reaktionszone beispielsweise bei etwa 700 m.

Vertikalschachtreaktoren, wie sie zur Naßoxidation von Klärschlämmen verwendet werden, haben den großen Vorteil, daß der erforderliche Druck in der Reaktionszone (z. B. 80 bis 150 bar) nicht durch eine entsprechend große Pumpenleistung bei der Zuführung der Reaktanten erzeugt werden muß sondern im wesentlichen systembedingt als hydrostatischer Druck der Flüssigkeitssäule entsteht. Auf der anderen Seite besitzen solche Reaktoren im Vergleich zu üblichen flach angeordneten oberirdischen Reaktoren eine außerordentlich große Länge. Eine Folge dieser großen Länge ist eine entsprechende Trägheit bei der Regelung des chemischen Prozesses. So dauert es beispielsweise relativ lange, bis eine Veränderung in der Zusammensetzung des Hauptreaktanten (z. B. Veränderung des Heizwertes des Klärschlamms durch Verdickung oder Verdünnung), die im Bereich der Erdoberfläche vorgenommen werden muß, die Reaktionszone erreicht hat. Auch die Sauerstoffzufuhr, die zur Erzielung einer möglichst intensiven Mischung mit dem Hauptreaktanten bereits im Eingangsbereich des Reaktors beginnt, stellt eine Einflußgröße dar, die den Ablauf des chemischen Prozesses der Naßoxidation nur relativ träge, d. h. mit entsprechender Verzögerung beeinflußt. Wenn es zu einer unbeabsichtigten örtlichen Anreicherung von brennbaren Stoffen und Sauerstoff im zu behandelnden Klärschlamm kommt und/oder die Wärmeabfuhr durch die installierte Kühleinrichtung aus irgend einem Grunde unzureichend ist, kann es im Prinzip zu örtlichen Überhitzungen kommen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn mit einem sauerstoffangereicherten Gas zur Oxidation gearbeitet wird. In einem solchen Fall könnte es durch örtliche Verdampfung der Flüssigkeit zu einer Abtrocknung der Rohroberflächen des Reaktors kommen, die sogar spontane Verbrennungsvorgänge an den Rohrwänden nach sich ziehen können. Um diese Gefahr zu beherrschen, wird in der US 4 744 909 vorgeschlagen, das zur Verbesserung der Reaktionsrate verwendete sauerstoffangereicherte Gas mit Wasserdampf zu sättigen und als Mehrphasengemisch dem Reaktor zuzuführen, d. h. daß in dem gesättigten Gas zusätzlich noch Wassertröpfchen enthalten sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen Weg vorzuschlagen, wie eine sichere Temperaturführung in einem Tiefschachtreaktor gewährleistet werden kann. Dazu soll ein gattungsgemäßes Verfahren in geeigneter Weise weitergebildet werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Reaktor vorzuschlagen.

Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben. Im Anspruch 7 ist ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneter erfindungsgemäßer Reaktor mit seinen Merkmalen angegeben. Gemäß der Unteransprüche 8 bis 23 ist dieser Reaktor in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltet.

Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. In den Figuren sind funktionsgleiche Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen worden. Die Fig. 1 bis 5 zeigen jeweils in einem vertikalen Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Reaktor als Prinzipbild, wobei die Länge des Reaktors im Vergleich zur Breite extrem verkürzt dargestellt wurde.

Der in Fig. 1 dargestellte Vertikalschachtreaktor weist ein Außenrohr 2 auf, das vom Erdboden aus in ein z. B. 1200 bis 1500 m tiefes Bohrloch hineinreicht und an seinem unteren Ende mit einem Boden 4 dicht verschlossen ist. Im Inneren des Außenrohres 2 ist ein nahezu gleich langes Innenrohr 1 angeordnet, das unter Belassung eines Durchtrittsspaltes relativ nahe über dem Boden 4 endet. Das Außenrohr 2 ist an seinem oberen Ende zum Innenrohr 1 hin abgedichtet und weist lediglich einen als Ableitung 6 ausgebildeten Leitungsanschluß auf. In entsprechender Weise ist auch das Innenrohr 1 an seinem oberen Ende nach außen dicht verschlossen und mit einem als Zuleitung 5 ausgebildeten Leitungsanschluß verbunden. Das Innenrohr 1 hat einen deutlich kleineren Durchmesser als das Außenrohr 2, so daß zwischen beiden vorzugsweise koaxial ausgerichteten Rohren ein Zwischenraum 3 verbleibt. Die Querschnittsverhältnisse sind in Relation zur Länge des Reaktors in Fig. 1 ebenso wie in den weiteren Fig. 2 bis 5 zu groß dargestellt, entsprechen also nicht der Realität. Beispielsweise kann bei einer Reaktorlänge von 1200 m der Durchmesser des Außenrohrs 35 cm und der des Innenrohrs 20 cm betragen. Das Bohrloch ist durch ein Schutzrohr 10 und einen zusätzlichen äußeren Betonmantel 9 ausgekleidet. Von außen sind zwei weitere Rohrleitungen in den Reaktor, und zwar in das Innere des Innenrohrs 1 abgedichtet hineingeführt. Es handelt sich um eine Reaktionsmittelleitung 7 und eine Kühlmittelleitung 8. Im dargestellten Fall sind beide Rohrleitungen 7, 8 parallel nebeneinander bis in unterschiedliche Tiefen des Reaktorinneren geführt, wobei zumindest die Kühlmittelleitung 8 bis in den Bereich der Reaktionszone des Reaktors hineinragt.

Die Funktion des Reaktors ist wie folgt zu beschreiben. Durch die Zuleitung 5 wird als Hauptreaktant ein Influent aus z. B. Klärschlamm oder einer wäßrigen Aufschlämmung oder einer Lösung von zu oxidierenden Schadstoffen in das Innenrohr 1 eingepumpt und strömt unter zunehmendem hydrostatischen Druck nach unten in Richtung der Reaktionszone, wo die Naßoxidation z. B. des Klärschlamms stattfindet. Nach Durchlaufen dieser Reaktionszone, die sich im unteren Teil des Reaktors befindet, steigt das oxidierte heiße Influent durch den Zwischenraum 3 in umgekehrter Richtung zur Erdoberfläche zurück und kann als Effluent aus der Ableitung 6 am Außenrohr 2 abgezogen werden. Während des Hochströmens gibt das Effluent durch die Wand des Innenrohrs 1 hindurch ständig Wärme an das frisch zugeführte Influent ab und wärmt dieses von z. B. Umgebungstemperatur bis auf die Starttemperatur für die Oxidation vor, die beispielsweise abhängig vom erreichten Druck bei 180°C liegen kann. Der erforderliche Sauerstoff für die Oxidation wird z. B. als O₂-angereicherte Luft oder als reiner Sauerstoff durch die Reaktionsmittelzuleitung 7 unmittelbar vor der Reaktionszone eingebracht. Durch den exothermen Vorgang der Oxidation steigt die Temperatur des die Reaktionszone durchströmenden Klärschlamms z. B. bis auf 280°C am Boden des Reaktors an. Da der Druck dort bei einer Reaktorlänge von 1200 m etwa 120 bar beträgt wird ein Sieden des Wasseranteils des Klärschlamms vermieden. Das Effluent hat im Bereich der Ableitung 6 wegen des zwischendurch stattfindenden Wärmeaustauschs mit dem frischen Influent nur noch eine Temperatur von z. B. 60°C.

Wenn es aus irgendwelchen Störgründen zu einer plötzlichen Anreicherung des Brennwertes des Influents kommen würde, hätte dies u. U. fatale Auswirkungen, da es infolge des stets zur Erzielung einer möglichst vollständigen Oxidation vorhandenen Sauerstoffüberschusses zu einer spontanen örtlichen Temperaturerhöhung in der Reaktionszone kommen würde. Diese könnte bei einem herkömmlichen Reaktor so stark sein, daß die beschriebene Verdampfung des Wassers und eine Oxidation der Rohrwände einsetzen könnten, weil die entstehende Überschußwärme durch das herkömmliche indirekte Kühlsystem, das auch bei dem erfindungsgemäßen Reaktor zusätzlich z. B. im Bereich zwischen Außenrohr 2 und Schutzrohr 10 vorgesehen sein könnte, nicht schnell und wirksam genug abgeleitet würde. Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor kann dies durch die spezielle Kühlmittelleitung 8, die unmittelbar vor oder direkt bis in die Reaktionszone führt, sicher verhindert werden. Sobald durch entsprechende Temperaturmeßmittel in diesem Reaktorbereich eine drohende Überschreitung der festgelegten Temperaturobergrenze ermittelt wird, kann nämlich ein geeignetes Kühlmittel in der erforderlichen Menge in die Reaktionszone eingeführt werden. Als Kühlmittel kommen insbesondere in Betracht:

• - Wasser
• - abgekühltes Reaktoreffluent
• - Dünnschlamm
• - nicht vorgewärmter Klärschlamm.

Durch den stattfindenden Wärmeübertragungseffekt und/oder den Verdünnungseffekt im Hinblick auf den Heizwert des zu behandelnden Prozeßmediums kommt es zu einer sehr schnell erzielbaren Temperaturabsenkung in der Reaktionszone, also in der kritischen Zone. Eine Unterbrechung der Sauerstoffzufuhr hätte diesen schnellen Effekt nicht, da der bereits eingebrachte Sauerstoff, der mit dem zu oxidierenden Influent mitgeführt wird, nicht mehr abgetrennt und unwirksam gemacht werden kann, so daß die Reaktion zunächst unverändert weiterginge. Dies gilt um so mehr, je weiter die Eintragstelle für den Sauerstoff von der Reaktionszone entfernt ist. Erst wenn sauerstofffreies oder unzureichend mit Sauerstoff vermischtes Influent die Reaktionszone erreichen würde, wäre dort eine Temperaturabsenkung zu erzielen. Bei einer Verweilzeit des Klärschlamms von z. B. 50 bis 60 min im Reaktor bei normalen Durchlauf könnte dies erheblich zu spät sein. Durch die erfindungsgemäße direkte Kühlung im Bereich der Reaktionszone wird die Trägheit der Temperaturregelung des Reaktors auf ein Minimum reduziert. Wenn als Kühlmittel ein Teilstrom des abzuführenden abgekühlten Effluents verwendet werden soll, wird eine entsprechende Leitungsverbindung zwischen einer Kühlmittelleitung 8 und der Ableitung 6 hergestellt (in Fig. 1 nicht dargestellt).

Es ist vielfach von Vorteil, mehrere Kühlmittelleitungen 8 vorzusehen, die in unterschiedlicher Tiefe im Reaktor enden und die bei der Temperaturregelung je nach Bedarf unabhängig voneinander oder gemeinsam eingesetzt werden können. Auf diese Weise läßt sich der Effekt der Temperaturabsenkung über einen längeren Bereich entlang der Reaktionszone erzielen. Vorteilhaft ist es, bei mehreren Kühlmittelleitungen zumindest eine bis in den Nahbereich des Bodens 4 des Außenrohres 2 zu führen.

Im Hinblick auf die Oxidationsmittelzuleitung 7 kann es zweckmäßig sein, deren Funktion ebenfalls auf mehrere unabhängige Leitungen zu verteilen, die in unterschiedlichen Tiefen im Reaktor enden. So kann beispielsweise eine Teilmenge des Sauerstoffs bei einer Naßoxidation bereits ganz zu Anfang in das frische Influent gegeben werden, während eine oder mehrere weitere Sauerstoffteilmengen erst unmittelbar vor oder in der Reaktionszone mit Abstand voneinander zugegeben werden. Diese Teilmengen sollten separat mengengesteuert sein. Auf diese Weise kann allein durch Regelung der Sauerstoffzufuhr innerhalb der Reaktionszone bereits eine schnellere Korrektur der drohenden Temperaturüberschreitung erreicht werden. Ergänzt wird die beabsichtigte Wirkung jedoch stets durch die beschriebene direkte Kühlmittelzuführung in den Bereich der Reaktionszone.

In Fig. 2 ist eine abgewandelte Form des erfindungsgemäßen Reaktors dargestellt, die sich von derjenigen der Fig. 1 nur dadurch unterscheidet, daß eine andere Form der Anordnung des Reaktionsmittelrohrs 7 und des Kühlmittelrohrs 8 gewählt wurde. Im vorliegenden Fall sind beide Rohre als koaxial ineinandergeführtes Doppelrohrsystem ausgeführt, wobei das Reaktionsmittelrohr 7 zweckmäßigerweise das äußere Rohr bildet. Dadurch ist es möglich, die Mündung des Kühlmittelrohres 8 tiefer zu legen als die Mündung des äußeren Rohres, indem das innere Rohr entsprechend länger ausgeführt wird als das äußere. Ein derartiges Doppelrohrsystem hat gegenüber einer Ausführung mit parallel nebeneinander liegenden Rohren den Vorteil, daß die mit dem Influent in Kontakt tretende Rohroberfläche beschränkt ist auf die Außenfläche des äußeren Rohres, so daß das innere Rohr abgesehen von dessen, aus dem äußeren Rohr herausragenden Teil ohne Kontakt zum Influent bleibt. Dadurch können ausscheidungsbedingte Ablagerungen, die in zyklischen Reinigungsvorgängen wieder entfernt werden müssen, vom inneren Rohr entsprechend weitgehend ferngehalten werden, so daß der Reinigungsaufwand vergleichsweise gering ausfällt.

Die Variante der Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 lediglich dadurch, daß zwei Kühlmittelleitungen 7a, 7b anstelle einer einzigen vorgesehen sind. Diese sind wiederum vorteilhaft als koaxial angeordnetes Doppelrohrsystem ausgebildet, wie dies bei der Kombination von Kühlmittelrohr 8 und Reaktionsmittelrohr 7 in Fig. 2 entsprechend der Fall war; Selbstverständlich können auch noch mehr,individuell mengenregelbare Kühlmittelrohre 7a, 7b in dem Reaktor angeordnet werden. Ohne weiteres könnte auch z. B. ein koaxial ineinandergeführtes Dreifach-Rohrsystem, bestehend aus den beiden Reaktionsmittelrohren 7a, 7b und einem z. B. im Inneren Reaktionsmittelrohr 7b angeordneten Kühlmittelrohr 8, das noch ein Stück aus letzterem nach unten herausragen könnte, vorgesehen sein. Es sind auch Mehrfachrohrsysteme noch höherer Ordnung ohne weiteres vorstellbar. Außerdem könnte auch eine Anordnung gewählt werden, bei der in einem äußeren Rohr mehrere parallel nebeneinander liegende Rohre vorgesehen sind.

Die in Fig. 4 dargestellte Variante entspricht weitgehend der Ausführungsform der Fig. 3. Sie unterscheidet sich lediglich dadurch daß ebenso wie die Reaktionsmittelleitung auch die Kühlmittelleitung als koaxiales Doppelrohrsystem (Kühlmittelrohre 8a, 8b) ausgeführt ist. Letzteres ist auch in der in Fig. 5 dargestellten Variante der Fall. Dabei bildet das Doppelrohrsystem der Reaktionsmittelrohre 7a, 7b zusammen mit dem Innenrohr 1 ein koaxiales Dreifach-Rohrsystem. Im Hinblick auf die Ausführung der Kühlmittelrohre 8, 8a, 8b kann es generell zweckmäßig sein, diese mit einer thermischen Isolierung zu versehen, damit das Kühlmittel bis zur Einspeisungsstelle möglichst wenig Wärme aufnimmt, also möglichst "unverbraucht" dort ankommt.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Reaktors ermöglicht die Erreichung mehrerer Vorteile in der Prozeßführung, da ohne Veränderung der Verrohrung im eigentlichen Reaktor unterschiedliche Fahrweisen möglich sind. So lassen sich beispielsweise die für die Reaktionsmittelzuführung vorgesehenen Rohre 7, 7a, 7b im Bedarfsfall auch für die Kühlmittelzuführung zusätzlich benutzen. Entsprechend Umgekehrtes gilt auch für die Kühlmittelleitungen 8, 8a, 8b. Durch die einzelnen Leitungen 7, 7a, 7b, 8, 8a, 8b können bei Bedarf auch andere Medien, wie etwa zusätzliche, die Reaktion fördernde Mittel in den Reaktor dosiert und örtlich gezielt eingetragen werden. Gerade im Hinblick auf das Anfahren des kalten Reaktors ist es möglich, z. B. durch Einspeisung von heißem Dampf unmittelbar vor und/oder in die Reaktionszone die Reaktion schnell in Gang zu bringen. Auch für die Reinigung des Reaktors ergeben sich Vorteile. So kann es insbesondere im Bereich des Bodens 4 des Außenrohrs 2 zu starken Ablagerungen kommen. Durch Einleitung eines Spülmittels unter ausreichend hohem Druck durch ein bis in die Nähe des Bodens 4 reichendes Rohr 7 oder 8 könnten solche Ablagerungen relativ leicht gelöst und nach oben über den Leitungsanschluß 5 oder 6 ausgeschwemmt werden. In diesem Zusammenhang ist noch anzumerken, daß es grundsätzlich auch möglich wäre, die Leitungsanschlüsse 5 und 6 miteinander zu vertauschen, also das Influent in das Außenrohr 2 einzuleiten und nach der Reaktion als Effluent aus dem Innenrohr 1 abzuziehen. In einem solchen Fall müßten die Kühlmittelleitungen 8, 8a, 8b und Reaktionsmittelleitungen 7, 7a, 7b außerhalb des Innenrohrs 1 im Außenrohr 2 verlegt werden. Diese Lösung wird aber weniger bevorzugt. Weiterhin ist noch zu erwähnen, daß es ohne weiteres möglich ist, die Reaktionszone im Bedarfsfall gezielt bis in den unteren Bereich des Zwischenraums 3 zwischen Außenrohr 2 und Innenrohr 1 hinein auszudehnen, wenn die Sauerstoffzugabe dosiert über eine entsprechend lange Strecke der Reaktionszone erstreckt wird.

Die Erfindung ermöglicht es, die Reaktionstemperatur im Reaktor verzögerungsarm zu regulieren, damit sie innerhalb festgelegter Grenzen bleibt. Bei zu geringer Temperatur könnte beispielsweise ein Medium mit erhöhtem Brennwert über eine oder mehrere der Rohrleitungen 7, 7a, 7b, 8, 8a, 8b in die Reaktionszone eingetragen werden.

Dadurch ist eine außerordentlich gleichmäßige effektive Nutzung des Reaktors mit angepaßtem Temperaturprofil möglich. Die Entstehung von örtlichen Überhitzungen (hot spots) können sicher vermieden werden. Im Bedarfsfall kann die Reaktion schlagartig unterbrochen werden (z. B. Notabschaltung), indem die Kühlmittelleitungen 8, 8a, 8b betätigt werden.

Die vorstehend insbesondere am Beispiel der Naßoxidation dargestellte Erfindung läßt sich grundsätzlich auch bei andersartigen chemischen Reaktionen anwenden, die bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck ablaufen. In diesem Zusammenhang ist auch zu erwähnen, daß die Erfindung die Möglichkeit bietet, während des Durchlaufs des Hauptreaktanten durch den Reaktor nacheinander, d. h. örtlich voneinander beabstandet unterschiedliche Reaktionen auszuführen, indem entsprechend verschiedene Reaktanten an den jeweiligen Orten durch entsprechende Rohrleitungen 7, 7a, 7b in den Reaktor eingebracht und mit dem Hauptreaktanten vermischt werden. Die bereits erwähnte Möglichkeit eines zusätzlichen indirekten Kühlsystems kann beim Anfahren des Prozesses bei Bedarf auch dazu benutzt werden, es mit einem Heizmedium zu betreiben, um das Influent auf Betriebstemperatur zu bringen. Wesentlich für die Erfindung ist jedoch die Tatsache, daß damit ein Tiefschachtreaktor ermöglicht wird, der nicht über ein indirektes Kühlsystem verfügen muß, sondern allein durch direkte Kühlung betreibbar ist. Ein Verzicht auf ein indirektes Kühlsystem ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise des Tiefschachtreaktors und dadurch auch eine deutliche Reduzierung der Bohrloch kosten. Im übrigen ist die Nutzung der Merkmale der Erfindung nicht nur bei Tiefschachtreaktoren möglich, sondern läßt sich z. B. auch auf flach ausgeführte oberirdische Reaktoren mit räumlich weit ausgedehnten Reaktionsräumen (z. B. in Form von Rohrschleifen) übertragen.

Claims (23)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung exothermer chemischer Reaktionen in einem räumlich langgestreckten Reaktor mit einer Reaktionszone, insbesondere zur Naßoxidation von Klärschlämmen in einem Tiefschachtreaktor, wobei als Influent ein erster Reaktant in fließfähiger Form vom Eingang des Reaktors in die Reaktionszone geführt und in dieser mit mindestens einem zweiten zugemischten Reaktanten bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck zur Reaktion gebracht wird unter Bildung eines Effluentes aus den entstandenen Reaktionsprodukten, die am Ausgang aus dem Reaktor abgeführt werden, wobei ferner die bei der Reaktion entstehende Wärme zur Vorwärmung des ersten Reaktanten durch indirekten Wärmetausch genutzt und überschüssige Wärme zumindest zu einem wesentlichen Teil mit dem abgeführten Reaktionsprodukt abgeleitet wird und wobei mindestens eine Teilmenge des zweiten Reaktanten vor der Reaktionszone zugemischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Reaktionszone mittels einer direkten Kühlung durch dosierte Einleitung eines Kühlmittels direkt vor oder in die Reaktionszone in gegebenen Grenzen gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reaktant gasförmig ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein Teilstrom des noch nicht vorgewärmten ersten Reaktanten verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein Teil des Effluentes nach dessen Abkühlung verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilmenge des zweiten Reaktanten durch eine separate Zuleitung unmittelbar in die Reaktionszone eingeführt und erst dort mit dem ersten Reaktanten vermischt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmenge des zweiten Reaktanten an mehreren voneinander beabstandeten Stellen entlang der Reaktionszone in separat mengensteuerbarer Form eingeführt wird.

7. Mit Innendruck beaufschlagbarer Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit zwei unter Belassung eines Zwischenraumes (3) ineinander geführten Rohren (1, 2), von denen das Außenrohr (2) an einem Ende nach außen dicht verschlossen (Boden 4) und das Innenrohr (1) an diesem Ende offen ausgeführt ist, wobei an dem anderen Ende an jedem der beiden Rohre (1, 2) jeweils ein Leitungsanschluß für die Zuleitung (5) eines Influents oder die Ableitung (6) eines Effluents angeordnet ist, so daß das Influent in zwei einander entgegengesetzten Strömungsabschnitten (Innenraum des Innenrohrs 1 und Ringraum 3 zwischen Innenrohr 1 und Außenrohr 2) unter indirektem Wärmeaustausch zwischen den Strömungsabschnitten (durch die Wand des Innenrohrs 1) durch den Reaktor leitbar ist, und wobei mindestens eine innerhalb des Reaktors verlaufende Reaktionsmittelleitung (7) vorgesehen ist, die vor der Reaktionszone des Reaktors in diesem offen endet und durch die ein mit dem Influent reaktionsfähiger Reaktant einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere Rohrleitung als Kühlmittelleitung (8, 8a, 8b) vorgesehen, ist, die vor oder im Bereich der Reaktionszone endet und zu dieser hin offen ist.

8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor als Tiefschachtreaktor ausgebildet ist.

9. Reaktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (1) koaxial im Außenrohr (2) verläuft.

10. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kühlmittelleitungen (8a, 8b) vorgesehen sind, die entlang der Reaktionszone an unterschiedlichen Stellen enden.

11. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Reaktionsmittelleitungen (7a, 7b) vorgesehen sind, die entlang der Reaktionszone an unterschiedlichen Stellen enden.

12. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Kühlmittelleitung (8) innerhalb einer Reaktionsmittelleitung (7) geführt ist.

13. Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung (8) weiter in den Reaktor hineinragt als die Reaktionsmittelleitung (7).

14. Reaktor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung (8) und die Reaktionsmittelleitung (7) koaxial ineinander verlaufen.

15. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei ineinander geführte Kühlmittelleitungen (8a, 8b) vorgesehen sind.

16. Reaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kühlmittelleitungen (8a, 8b) koaxial ineinander verlaufen.

17. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei ineinander geführte Reaktionsmittelleitungen (7a, 7b) vorgesehen sind.

18. Reaktor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reaktionsmittelleitungen (7a, 7b) koaxial ineinander verlaufen.

19. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungsanschluß für die Zuleitung (5) des Influents an das Innenrohr (1) des Reaktors angeschlossen ist und die Kühlmittelleitung/-leitungen (8, 8a, 8b) im Inneren des Innenrohrs (1) angeordnet ist/sind.

20. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kühlmittelleitung (8) bis in den Nahbereich des nach außen durch einen Boden (4) dicht verschlossenen Endes des Außenrohrs (2) geführt ist.

21. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kühlmittelleitung (8) zur Rückführung eines Teils des Effluents an die Ableitung (6) des Effluents angeschlossen ist.

22. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor ein zusätzliches indirektes Kühlsystem zur Wärmeableitung aufweist.

23. Reaktor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das indirekte Kühlsystem durch einen das Außenrohr (2) des Reaktors umgebenden, mit einer Zu- und Ableitung für ein Kühlmittel versehenen Kühlmantel gebildet ist, wobei Zu- bzw. Abfuhr der Wärme durch ein in den Kühlmantel eingehängtes Isolationsrohr erfolgt.