DE2005580A1 - Verfahren zum Kühlen der Reaktionszone be: Wirbelschichtkatalysatorreaktionen - Google Patents

Verfahren zum Kühlen der Reaktionszone be: Wirbelschichtkatalysatorreaktionen

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DE2005580A1 DE19702005580 DE2005580A DE2005580A1 DE 2005580 A1 DE2005580 A1 DE 2005580A1 DE 19702005580 DE19702005580 DE 19702005580 DE 2005580 A DE2005580 A DE 2005580A DE 2005580 A1 DE2005580 A1 DE 2005580A1
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Description

Es sind die verschiedensten katalystisehen Vorgänge in Wirbelschichten bekannt. In einem derartigen Reaktor wird ein Gas öder eine Flüssigkeit oder deren Gemische mit dem Katalysator in Form von Feststoffteilchen in fluidisiert tem Zustand in Berührung gebracht. Die Fluidisierung erreicht man ,indem das fließfähige Medium von unten durch die Schicht der Katalysatorteilchen mit entsprechender Geschwindigkeit und Verteilung geleitet wird. Die Verteilung des fließfähigen Mediums über den Querschnitt des Reaktors geschieht im allgemeinen durch Düsen oder andere Öffnungen im Reaktorboden.
Bei exothermen Reaktionen ist es oft erforderlich Kühlelemente in die Reaktionszone vorzusehen, um übermäßige Warme in geregeltem Ausmaß abzuführen und damit die gewünschte Reaktionstemperatur aufrechtzuerhalten.
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Die Erfindung "betrifft einen Wirbelschichtreaktor für katalytische Reaktionen mit geregelter Kühlung auf die gewünschte Reaktionstemperatur.
Es sind bereits Kühlsysteme mit einem Kühlmedium einer Temperatur etwas unter der gewünschten Reaktionstemperatür bekannt. Bei diesen Vorrichtungen führt ein Ansteigen der Reaktionstemperatur zu einer Vergrößerung des Wärmeübergangs auf das Kühlmedium, der praktisch proportional dem Temperaturunterschied zwischen Reaktionszone und Kühlmedium ist. Grundsätzlich ergibt sich daraus die Möglichkeit,indem die Temperatur des Kühlmediums ausreichend nahe an der gewünschten Reaktionstemperatur gehalten wird,ein sich selbst regelndes System einzustellen. So kann man z.B. ein siedendes Medium anwenden, wobei in diesem Fall die Temperatur über den Druck geregelt wird. Pur viele Anwendungsgebiete ist dieses Verfahren jedoch zu aufwendig. Um nun einen zufriedenstellenden Wärmeübergang zu erreichen, bevorzugt man als Medium eine Flüssigkeit. Viele Reaktionen laufen in einem Temperaturgebiet zwischen 300 und 5000C ab. Die Forderung, die Temperatur des Kühlmediums nur etwas unterhalb der Reaktionstemperatur zu Halten, erfordert ein spezielles und im allgemeinen kostspieliges Kühlmedium z.B. Dowtherm (RTM), hochsiedende Öle oder Salzschmelzen. Das Kühlmedium muß umgeleitet werden zwischen dem Reaktor und dem Rückkühler, wie einem Dampfgenerator. Um nun für einen selbstregulierenden Effekt eine geringe Temperaturdifferenz zwischen Reaktionszone und Kühlmedium aufrechtzuerhalten, ist eine beträchtliche Wärmeaustauschfläche zur Kühlung des Reaktors erforderlich.
Es ist jedoch auch möglich, die Reaktionstemperatur über die Zusammensetzung, Fließgeschwindigkeit und Temperatur der Reaktionspartner zu dem Reator zu beeinflußen, jedoch ist des
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meistens keine sehr günstige Lösung des Problems.
Das Protilera wird besonders schwierig, wenn es sieh um sehr große Reaktoren handelt, in denen eine Reaktion in Gegenwart eines Katalysators mit ausserordentlich feiner Korngröße abläuft. Der Reaktor muß einen sehr großen Querschnitt haben, um das Austragen der feinen Teilchen aus dem Reaktor mit dem Reaktionsprodukt zu verhindern. Daraus er-, geben sich wieder Einschränkungen hinsichtlich des zu verwendenden Katalysators und der anzuwendenden Durchsatzgeschwindigkeitj des Verhältnisses von Höhe zu Durchmesser des Katalysatorbetts, welches relativ klein sein soll, um eine gute Fluidisierung und damit einen hervorragenden Umsatzeffekt zu erreichen. -Wird..für' diesen Zweck die Wirbelschicht durch vertikale Wände in eine Anzahl von Zellen unterteilt, so werden die mit der Einhaltung der Reaktionstemperatur zusammenhängenden. Probleme immer schwieriger.
Aus FP 1 012 829 ist ein "Verfahren zum Kühlen eines Wirbelschiehtreaktors bekannt, wobei eine Flüssigkeit und/oder ein Dampf in Kühlrohren.innerhalb des Reaktors und der Wirbelschicht umgepumpt wird. Dieses System ist jedoch nicht empfindlich genug, um den Reaktor so zu kühlen, daß die gewünschte Selbstregelung eintritt. .
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Reaktionszone eines Reaktors für Wirbelschichtkatalysatoren mit Hilfe der Verdampfung einer Flüssigkeit in zumindest einem Kühlelement innerhalb der Reaktionszone gekühlt. Die Flüssigkeit wird im wesentlichen vollständig verdampft innetfiaü-b des Kühlelement, wobei die Temperatur der Reaktionszone geregelt wird durch die in das oder die Kühl elemente zugeführte Flüssigkeitsmenge. :
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Nach dem erfindungsgemaßen Verfahren kann die Temperatur der verdampfenden Flüssigkeit in den Kühlelementen über den Druck geregelt werden.
In einem, nach der Erfindung ausgestatetben, Reaktor führt ein Temperaturanstieg in der Reaktionszone zu einer erhöhten Zufuhr der Flüssigkeit in das Kühlelement der Reaktionszone. Folglich wird mehr mit der Kühlfläche des Elements in Berührung mit der siedenden Flüssigkeit und Jt weniger mit dem Dampf gebracht. Da der Wärmeübergang in eine Flüssigkeit sehr viel besser ist als in einen Dampf oder ein Gas ι steigt die Wärmeabfuhr.bis die gesamte zugeführte Flüssigkeitsmenge verdampft. Diese gesteigerte Wärmeabfuhr führt natürlich zu einer Verringerung der Reaktionsraumtemperatur. Erfindungswesentlich ist also die Einstellung deM effektiv wirksamen Kühlfläche.
Wenn ein Kühlelement in jede Zelle eines Reaktorsj unterteilt durch vertikale Wände.installiert und die Zufuhr der Flüssigkeit in jedes Kühlelement individuell in Überein-
geregelt Stimmung mit der Temperatur dieser Zelle/wird, erreicht man
?\ne sehr wirksame Regelung der Reaktionstemperatur über den W ganzen Querschnitt des Reaktors.
Das als Dampf generator wirkende Kühlelement kann eine beliebige Form aufweisen, z.B. eine Anzahl von vertikalen Rohren, die parallel sind und die Flüssigkeit über den Boden zugeführt wird. Der Querschnitt der Rohre muß ausreichen,um eine vollständige Trennung von Flüssigkeit undbampf bei Verlassen des Rohrs zu gestatten. Enge Rohre können spiralförmig sein, jedoch muß in diesem Fall die Länge ausreichen, um eine Trennung des Dampfes von der Flüssigkeit bis' zum Rohrende zu gewährleisten.
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Die Regelung der Flüssigkeitszufuhr zu einem Kühlelement kann auf verschiedene Weise geschehen, z.B. kann ein Tempe- -. ". raturkühler,der in tie Reaktionszone reicht,.auf ein Steuerge- · rät arbeiten, welches automatisch das Dosierungsventil der Flüssigkeit beeinflußt. Bei Reaktoren,die· in getrennt zu . kühlende Teilzonen unterteilt sind, kann die Regelung entwe^der durch eine Vielzahl derartiger Regelelemente oder durch ein einziges System für den Empfang der Signale, der in jeder Teilzone angeordneten Thermofühler, bewirkt werden.; In letzt'erem Fall werden nacheinander die Dosi.erungsv entile für jede Zelle oder .Teilzone betätigt. In diesem Zusammenhang kann man einen Computer anwenden, der auf eingegebene Werte abstimmt und damit Temperaturschviankungen minimal hält. Die Gesamtregelung der Kühlelemente und damit der gesamten Kühlkapazität kann über den Dampfdruck der Kühlflüssigkeit erfolgen, wobei ein Rückstauventil in- üblicherweise in der Dampfaustrittsleistung vorgesehen ist. · .
Eine bevorzugte Ausführungsform nach, der Erfindung wird nun anhand der Figur naher erläutert. Es handelt sieh dabei um das Schema einer Vorrichtung mit einem Wirbelschichtkatalysator, wobei ein Teil des Reaktors mit den Teilzonen gezeigt ist. ·
Der Reaktormantel 1 ist mit einer Gaszuleitung 2 und einer Gasableitung 3 versehen. Über dem Reaktorquerschnitt befindet sich ein Gitter 4· mit Öffnungen % verbunden mit (nicht gezeigten) Düsen zum Ausgleich der Gasverteilung, Das Katalysatorbett 6 befindet sich über dem Gitter h und wird durch vertikale Trennwände ? in eine Anzahl von Reaktionsteilzonen 8 untertrennt.Eine Anzahl von vertikalen Rohren 9 ist innerhalb des Katalysatorbetts 6 so angeordnet, daß eine Anzahl von Rohren 9.in jeder Teilzone 8 vorliegt. Diese Rohrgruppe erhält über die Förderleitung 10 jeweils mit .Dosierventil 11 aus der Speiseleitung 12 Kesselwasser. Die Rohre 9
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besitzen einen Dampfdom 13( aus dem der Dampf über die Leitung l4,den Dampfkessel 15 und von d'ort über das Dampfventil 16 abgeleitet wird. In jeder Teilzone 8 befinden sich Temperaturfühler 17, die über das automatische ßegelgerät 18 auf die Flüssigkeitsventil-e 11 einwirken.
Bei Betrieb tritt das Gasgemisch in den Reaktor über ein, gelangt durch die Düsen 5 des Gitters ^ in das Katalysatorbett 6 und führt zu dessen Fluidisierung. Das Reaktionsprodukt verläßt den Reaktor über den Gasauslaß 3, die Reaktionswärme wird durch Verdampfen der Kühlflüssigkeit, in dem Fall Wasser, in dem Rohr 9, welches über die Speiseleitung zugeführt wird, abgeführt. Der sich in den Rohr 9 bildende Dampf gelangt über den Dampfdom 13, die Dampfleitung 1*J- in den Dampfkessel 15 und schließlich über das Druckventil l6 aus der Anlage.
Bei dem hier gezeigten System wird nur ein Regelgerät angewandt, welches nacheinander die Folge 17, 8, H- bzw. 17', 8', 11! bzw. 17", 8", 11" betätigt und damit die den Rohren 9, 9', 9'' zugeführte Wassermenge dosiert und die benötigte Verdampfung zuläßt. Dieses Nach ei nand er-Abfragen der einzelnen Regelkreise über das Regelsystem 18 gestattet eine genaue Einstellung der vorbestimmten Temperatur·
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren kann nach der Erfindung ein beträchtlicher Temperaturunterschied In der Größenordnung von mehreren 10O0Cj zwischen Reaktionstemperatur und Temperatur des Kühlmediums herrschen. Dadurch wird auch die benötigte Kühlfläche gegenüber den bekannten Verfahren sehr klein sein. Auch wird erfindungsgemäß kein besonderer Anspruch auf die Wärmebeständigkeit des Ktihlmedluras und allen damit zusammenhängenden Problemen gestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch für Reaktionen bei Temperaturen anwenden, wie sie bisher noch nicht anwendbar war. Eine Begrenzung der Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen. Verfahren
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20Ü5580
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liegt eher in dem Konstruktionswerkstoff der Anlage, insbesondere der Kühlelemente und ander«
dem angewandten Kühlmedium,
der Kühlelemente und anderer heißer Teile des Reaktors, als "bei
Pur Reaktionen "bei relativ hohen Temperaturen jedoch mäßiger Wärmeentwicklung kann erfindungsgemäß ein "bekanntes hochsiedendes Kühlmedium dienen. Die Regelung der Reaktionstemperatur ist durch ein derartiges Kühlmedium sehr vereinfacht, da eine geringere Differenz zwischen Reaktionstemperatur und Temperatur der siedenden Flüssigkeit besteht, jedoch sind größere Kühlflächen er-< forderlich,, als wenn ein bei tieferer Temperatur siedendes Kühlmedium angewandt wird. Jedenfalls sind die erfindungsgemäß benötigten Kühlflächen gegenüber den bekannten selbstregelnden Systemen als sehr klein zu bezeichnen.
Beispiel für die Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen' Verfahrens sind die Synthese von Ammoniak aus einem Gasgemisch Wasser/Stickstoff, Synthese von Methanol aus einem Gemisch von Wasserstoff und Kohlenoxiden, Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Oxydation von o-Xylol, Herstellung von Formaldehyd durch Oxydation von Methanol, Herstellung von Acrylnitril aus einem Gemisch von Propylen, Ammoniak und Luft.
Patentansprüche .
Ö09835/1859

Claims (1)

  1. IA-37
    Patentans ρ r ϋ c h e
    y. Verfahren zum Kühlen der Reaktionszone eines Reaktors
    mit fluidisiertem Katalysatorbett, dadurch gekennzeichnet , daß die zumindest einem Kühlelement in der Reaktionszone zugeführte Flüssigkeit im wesentlichen vollständig verdampft wird und die, dem Kühlelement zuzuführende Flüssigkeitsmenge nach der abzuführenden Wärmemenge geregelt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß ein in der Reaktionszone vorgesehenes Temperaturmeßgerät auf die Dosierung der Kühlflüssigkeit automatisch regelt.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei durch vertikale Trennwände in eineVielzahl von Teilzonen unterteiltem Reaktor die Temperatur jeder Teilzone getrennt geregelt wird.
    k. Verfahren.nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -
    kennzei chnet , daß man für jede Teilzone ein Regelsystem anwendet.
    5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß man mit einem einzigen Regelsystem die verschiedenen Meß- und Regelkreise zu den Teilzonen hintereinander abtastet.
    6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur in den Kühl-
    elementen über den Druck des Kühlmediums in den Elementen regelt.
    8195 009835/1859
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