DE202023000049U1

DE202023000049U1 - Reaktor zur katalytischen Umsetzung eines Einsatzstroms

Info

Publication number: DE202023000049U1
Application number: DE202023000049.1U
Authority: DE
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2023-01-11
Filing date: 2023-01-11
Publication date: 2023-05-08
Anticipated expiration: 2033-01-12

Abstract

Reaktor (100) zur katalytischen Umsetzung eines Einsatzstroms mit zumindest einem zylindrischen Reaktorrohr, dadurch gekennzeichnet, dass in dessen radialer Mitte ein Einsatzstromverteiler (110) mit in radialer Richtung verlaufenden Auslässen (114) angeordnet ist, in radialer Richtung außen an den Einsatzstromverteiler anschließend ein Inertbett (130) und an das Inertbett (130) in radialer Richtung außen anschließend ein Katalysatorbett (140), das dazu eingerichtet ist, eine Reaktion zumindest eines in dem Einsatzstrom enthaltenen Kohlenwasserstoffs mit Sauerstoff zu einer sauerstoffhaltigen organischen Verbindung zu katalysieren, angeordnet ist, wobei innerhalb einer radialen Zone, in der das Inertbett (130) angeordnet ist, zumindest ein Sauerstoffverteiler (120) angeordnet ist, der Düsen aufweist, die dazu eingerichtet sind, Sauerstoff aus dem Sauerstoffverteiler (120) in das Inertbett (130) abzugeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialreaktor mit Sauerstoffeinspeisung für Oxidationsreaktionen.
Das Projekt, das zur vorliegenden Schutzrechtsanmeldung geführt hat, wurde im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 814557 des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert (EU-Förderprojekt C123). Hierauf wird nachfolgend insbesondere Bezug genommen, wenn von dem „zugrundeliegenden Projekt“ usw. die Rede ist.
Hintergrund der Erfindung
Selektive Oxidationsreaktionen stellen einen wichtigen Schritt zur Funktionalisierung von Kohlenwasserstoffen und anderen organischen Rohstoffen dar. Beispielhaft seien hier zunächst etablierte Prozesse wie die Herstellung von Ethylenoxid, Propylenoxid, Acrylsäure, Acrylnitril, Methacrylsäure, Methacrylnitril, Phthalsäureanhydrid und Maleinsäureanhydrid genannt. Aber auch die Eröffnung neuer Produktionswege (z.B. oxidative Dehydrierung, ODH, insbesondere von Ethan) bzw. die Nutzung zusätzlicher Ausgangsstoffe (z.B. oxidative Methankopplung, OCM) greifen auf katalytische oxidative Reaktionen zurück. Neben der Wahl geeigneter und verbesserter Katalysatoren fällt dabei dem Reaktordesign eine besondere Bedeutung zu.
Allgemein zeichnen sich oxidative Reaktionen durch eine starke Exothermie aus. Für einige Reaktionssysteme wie z.B. die oxidative Dehydrierung (ODH) kann die Reaktionswärme durch geeignete gekühlte Reaktoren, z.B. isotherme Rohrreaktoren, beherrscht werden und ein sog. Durchgehen der Reaktion verhindert werden. Als Kühlmittel können dabei insbesondere Salzschmelzen zum Einsatz kommen. Diese sind in der technischen Anwendung aber auf Temperaturen bis zu 700 °C limitiert, mit speziellen Systemen können im Einzelfall Temperaturen bis zu 1200 °C beherrscht werden. Eine ODH von Ethan findet z.B. typischerweise in einem Temperaturbereich von 240 °C bis 550 °C statt, beim Einsatz von Mischmetalloxidkatalysatoren wie MoVNb(Te)O_x (wobei die Angabe von Te in Klammern ausdrückt, dass Te eine optionale Komponente darstellt) unterhalb von 400 °C.
Insbesondere die oxidative Methankopplung (OCM) erfolgt jedoch bei Temperaturen von üblicherweise mehr als 700 °C. Werden dabei technisch relevante Umsätze angestrebt, um insbesondere den Aufwand für Abtrennung, Recycle und Verdichtung zu minimieren, kommt es zu einem erheblichen adiabaten Temperaturanstieg. Hieraus resultiert entsprechender apparativer Aufwand bzw. werden die Grenzen für etablierte isotherme Rohrreaktoren erreicht. Bekannte Technologien (z.B. Siluria) verwenden daher entweder Adiabatbetten oder verfolgen Ansätze, um mit Sonderlösungen eine Reaktionsführung in einem gekühlten Reaktorsystem zu ermöglichen. In der Praxis konnte jedoch noch keine OCM-Anlage im technisch relevanten Maßstab realisiert werden. Dies ist insbesondere auf limitierte Umsätze und entsprechenden Aufwand für Abtrennung und Recycle zurückzuführen, die neben thermodynamischen und kinetischen Beschränkungen insbesondere auf Beschränkungen in existierenden technischen Reaktorkonzepten zurückzuführen sind.
Die OCM ist seit Jahrzehnten ein bekannter Gegenstand der Forschung. Methan soll durch partielle Oxidationsreaktionen in höhere Kohlenwasserstoffe überführt werden. Insbesondere ist die Reaktion 2 CH₄ + O₂ → C₂H₄ + 2 H₂O wünschenswert. Dabei treten aber auch die unerwünschten Totaloxidationen zu CO und CO₂ auf. insbesondere bei höheren Umsätzen gewinnen die Nebenreaktionen an Umfang. In reinen Methankopplungsverfahren ist man deshalb auf niedrige Umsätze beschränkt, was die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt.
In einem hier zugrunde liegenden Projekt wird ein Ansatz verfolgt, in dem man die oxidative Methankopplung mit nachfolgenden Reaktionsschritten kombiniert, die CO nutzen, so dass man die Methankopplung bei höheren Umsätzen betreiben kann. Insbesondere wird durch eine Hydroformylierung C₂H₄ + CO + H₂ → C₂H₅-CHO Acetaldehyd erzeugt. Dieses kann zu Propanol hydriert werden (C₂H₅-CHO + H₂ → C₃H₇OH), aus welchem durch Wasserabspaltung (C₃H₇OH → C₃H₆ + H₂O) wiederum Propylen erzeugt werden kann. Damit trägt das in der oxidativen Methankopplung erzeugte CO zur Masse des werthaltigen Endprodukts bei und ist kein unerwünschtes Nebenprodukt, welches verworfen werden muss bzw. nur noch der Nutzung des Brennwerts zur Verfügung steht.
Die Reaktion wird in einem Festbettreaktor durchgeführt. Im Gegensatz zu den bekannten Oxidationskopplungsverfahren ist hier der Umsatz höher. Entsprechend ist die Auslegung des Reaktors mit entsprechend noch höherer thermischer Belastung anspruchsvoller und nicht Stand der Technik.
Der Reaktionsdruck muss relativ niedrig gewählt werden. Bei den hohen Temperaturen (grob 500 bis 1000°C) ist die Dichte des Gases sehr niedrig. Gleichzeitig sind speziell bei dem niedrigen Druckniveau Druckverluste besonders ungünstig und sind zu vermeiden. Das zwingt zu niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten. Bei gleichzeitig geringer Dichte und damit hohem Volumenstrom erfordert das sehr große Querschnittsflächen. Die sehr hohen erforderlichen Querschnittsflächen bedeuten, dass ein Standard-Festbettreaktor für ein Verfahren industrieller Kapazität mit sehr großen Durchmessern gebaut werden muss, was ein sehr unwirtschaftliches Design ergibt, bei dem der Durchmesser die Schüttungshöhe weit übersteigt und bezüglich des Durchmessers Baubarkeitsgrenzen erreicht werden. Damit müsste eine größere Anzahl paralleler Reaktoren gebaut werden.
Weiterhin kann sich im Anschluss an das Bett zur Durchführung der OCM-Reaktion ein Abschnitt zum so genannten Post Bed Cracking befinden. In das heiße Produktgas der oxidativen Methankopplung wird dabei zusätzliches Ethan eingespeist. Aufgrund der hohen Temperatur wird das Ethan dehydriert, es bildet sich Ethylen und die Wärme auf dem hohen Temperaturniveau des Austritts der OCM wird genutzt.
Radial durchströme Apparate/Rohre sind beispielsweise von druckverlustarm ausgeführten Adsorbern bekannt. Diese werden üblicherweise von außen nach innen durchströmt. Aber auch Radialreaktoren sind grundsätzlich bekannt, finden jedoch bislang nur für andere Einsatzzwecke Verwendung.
In US 5 362 452 A wird ein Radialreaktor beschrieben. Gemäß den Ansprüchen und den zugehörigen Zeichnungen wird dieser ausschließlich von außen nach innen durchströmt. Ausführungen zur Einspeisung zweier Reaktionsgase, insbesondere eines sauerstoffhaltigen Gases in ein brennbares Reaktionsmedium werden in dieser Schrift jedoch nicht offenbart. Die Mischung erfolgt vielmehr außerhalb des Radialreaktors (vgl. z.B. Spalte 4, Zeile 5ff.), was zu entsprechend langen Verweilzeiten vor dem Erreichen des eigentlichen Katalysatorbettes führt.
M. Peacock et al. (Topics in Catalysis 2020, 63, 328-339) beschreiben die Anwendung eines Radialreaktors für Fischer-Tropsch-Reaktionen. Auch hier handelt es sich um ein nicht-oxidatives Verfahren, welches also keine Sauerstoffeinspeisung erfordert, mit geringerer Wärmetönung als typische Oxidationsreaktionen, wie z.B. ODH oder OCM.
EP 2 759 338 A1 offenbart einen Reaktor mit einem mehrstufigen Bett mit Zwischenkühlern, die innerhalb eines Apparates angeordnet sind. Dabei ist insbesondere der Zwischenkühler in zentraler axialer Position angeordnet, was eine Durchströmung von innen nach außen zur Folge hat. Auch diese Schrift enthält keinerlei Ausführungen zu einer Sauerstoffeinspeisung.
In US 5 358 698 A wird ein Radialreaktor offenbart und beansprucht, der von innen nach außen durchströmt wird. Kern dieser Schrift ist die Optimierung der Strömungsverhältnisse im Zentralrohr durch geeignete Einbauten. Der Erfindung liegt insbesondere die Dehydrierung von Ethylbenzol zu Styrol zugrunde. Dabei handelt es sich um eine endotherme Reaktion und es stellt sich kein Erfordernis zur Einspeisung von Sauerstoff. Weitere Einzelheiten zur Verwendung eines Radialreaktors in der Umsetzung von Ethylbenzol zu Styrol finden sich in A.A. Savoretti et al. (Chemical Engineering Science 1999, 54, 205-213). Aufgrund des abweichenden Hintergrundes (Dehydrierung von Ethylbenzol: endotherme Reaktion, keine O2-Einspeisung erforderlich) tragen beide Schriften jedoch nicht zur Lösung der Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung bei.
US 2020/0368706 A1 geht explizit auf exotherme Reaktionen ein. Diese Schrift schlägt die Verwendung von zylindrisch angeordneten Katalysatormodulen vor, die insbesondere von außen nach innen durchströmt werden, wobei innerhalb jedes Moduls eine Kühlung durch frisches Prozessgas erfolgt, um eine Vorwärmung zu erreichen. Zudem werden Zwischenkühlungen beschrieben. Die Schrift fokussiert somit also auf Aspekte des Wärmemanagements und der Vorwärmung, Ausführungen zu einer Sauerstoffeinspeisung finden sich darin nicht.
Die WO 2017/220343 A1 der gleichen Anmelderin schlägt ebenfalls explizit ein von außen nach innen durchströmtes System vor, wobei das Katalysatorbett wiederum aus gestapelten Modulen aufgebaut wird und zusätzlich Kühlpaneele beinhaltet. Wiederum ist eine Sauerstoffeinspeisung nicht Gegenstand dieser Schrift.
Bei stark exothermen Reaktionen, insbesondere oxidativen Reaktionen wie der ODH oder der OCM werden einerseits möglichst hohe Umsätze angestrebt, andererseits wird der technisch sinnvolle Umsatz von der Selektivität der Reaktion limitiert. Da oftmals und insbesondere bei der ODH und der OCM die Reaktivität der Reaktionsprodukte mit Sauerstoff größer ist als die des eingesetzten Methans, werden bevorzugt die eigentlich erwünschten Produkte weiter umgesetzt, so dass die Selektivität mit steigendem Umsatz deutlich abnimmt.
Die Raten der unerwünschten nicht selektiven Nebenreaktionen steigen mit dem Druck stark an. Das erfordert eine Reaktionsführung bei vergleichsweise niedrigem Druck. Ein niedriger Druck bewirkt aber zunächst eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, Andererseits müssen aber für ein technisches System bei niedrigem absolutem Druck auch die Druckverluste reduziert werden, was jedoch gerade niedrige Gasgeschwindigkeiten bedingt.
Aufgrund der gleichzeitig hohen Reaktionstemperatur ist auch die Gasdichte klein. Also müssen die durchströmten Querschnitte entsprechend groß sein, um den durch den niedrigen Systemdruck stark limitierten Druckverlust zu gewährleisten. In Standard-Festbetten führt das in der Auslegung auf eine sehr ungünstige Geometrie mit sehr großem Durchmesser und niedriger Betthöhe. Oftmals würde man mit solchen Standard-Festbetten Limitierungen in den Dimensionen bzw. Dimensionsverhältnissen technisch und wirtschaftlich sinnvoll baubarer Apparate überschreiten oder aber eine größere Anzahl paralleler Reaktoren bereitstellen müssen.
Eine Reaktionsführung unter Druck wäre prinzipiell wünschenswert, ist aber in mehrerlei Hinsicht problematisch: Einerseits werden die Reaktionen unter Druck noch unselektiver, andererseits verkürzen sich Zündzeiten, was die Mischung der Edukte weiter erschwert. Sicherheitstechnisch ist die Reaktion unter Druck schwerer zu beherrschen. Dieser Umstand zwingt typischerweise zu niedrigen Drücken unterhalb von 15 bar, 10 bar oder 8 bar.
In einem hier zugrundeliegenden Projekt wird die Methankopplung mit einer Hydroformylierung gekoppelt, so dass bei der Methankopplung als Nebenprodukt erzeugtes CO wieder umgesetzt werden kann. Das erlaubt eine Methankopplung bei höheren Umsätzen im Vergleich zur klassischen OCM, bei der CO verworfen wird und dessen Bildung zurückzudrängen ist. Im Idealfall soll ein Ethylen:eO Verhältnis von 1:1 im Produktstrom eingestellt werden.
Den höheren Umsätzen entsprechen größere Mengen an Sauerstoff, die in den Feedstrom einzubringen sind. Würde man den Sauerstoff einfach zum Methan zugeben, würde das zu einer Verbrennung führen, die überwiegend CO und CO2 bildet und große Mengen Wärme freisetzt. Bei den dadurch entstehenden hohen Temperaturen wird erst recht keine selektive Reaktion mehr stattfinden, so dass der Reaktor zur thermischen Instabilität neigt und schwer selektiv zu betreiben ist. Die thermische Stabilität ist bereits bei der klassischen OCM ein Problem, das bei den erhöhten Umsätzen mit mehr 02 entsprechend schwieriger wird.
Weiterhin erfordert die Reaktionsführung das Einmischen von Sauerstoff in einen brennbaren Strom. Verschärfend kommt noch hinzu, dass dabei oftmals die Zündtemperatur des brennbaren Stromes bzw. der gebildeten zündfähigen Mischung überschritten wird. Die Konzentrationen des Sauerstoffgehalts variieren dabei kontinuierlich von 0% vor der Einspeisestelle bis 100% im Zuströmpunkt, so dass der gesamte Bereich durchlaufen wird und das Durchschreiten des explosionsgefährlichen Bereichs und der Zündgrenzen unvermeidbar ist.
Bei allen Verfahren, in denen zumindest zeitweise zündfähige Gasgemische gebildet werden können, kann es bei Vorhandensein einer Zündquelle stromauf oder in der katalytischen Reaktionszone eines Reaktors zu einer unerwünschten Zündung kommen. Der nachfolgende, ohne weitere Maßnahmen weitgehend unkontrollierte Abbrand kann explosiv, deflagrativ oder detonativ ablaufen.
Bei einer Explosion handelt es sich um einen unkontrollierten Abbrand eines zündfähigen Gasgemischs mit laminarer Flammenfront. Bei einer Deflagration liegt eine turbulente Flammenfront vor. Explosionen bzw. Deflagrationen einerseits und Detonationen unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Geschwindigkeit der Ausbreitung. Bei einer Explosion bzw. Deflagration liegt diese unterhalb, bei einer Detonation typischerweise deutlich oberhalb der Schallgeschwindigkeit. Eine Explosion bzw. Deflagration kann nach einer bestimmten Anlauflänge und einer Mindestkonzentration an Brennstoff und Sauerstoff in eine Detonation umschlagen. Durch Explosionen, Deflagrationen und Detonationen von Gasgemischen kommt es zu einem massiven Druckanstieg, der zum Bersten der verwendeten Anlageteile und entsprechenden Folgeschäden führen kann.
Bei einer Explosion bzw. Deflagration eines stöchiometrischen Gemischs aus Alkanen, Alkenen und Luft kann es zu einer Drucksteigerung um den Faktor zehn, bei einer Explosion bzw. Deflagration eines stöchiometrischen Gemischs aus Alkanen, Alkenen und Sauerstoff zu einer Drucksteigerung um den Faktor 20 kommen. Im Falle einer Detonation werden nochmals weitaus höhere Drucksteigerungen bewirkt.
Ist nachfolgend von einer Explosion die Rede, erstrecken sich die entsprechenden Erläuterungen auch auf eine Deflagration. Entsprechend bieten „explosionsfeste“ Anordnungen bzw. Explosionsschutzmaßnahmen auch einen Schutz vor Deflagrationen.
Es ist möglich, entsprechende Mischungszustände, d.h. die Bildung zündfähiger Gasgemische, grundsätzlich zu vermeiden und in diesem Zusammenhang Maßnahmen zu ergreifen, die es ermöglichen, die Bildung zündfähiger Gasgemische auch beim An- und Abfahren sowie bei Prozessabweichungen sicher auszuschließen. Ferner ist es möglich, entsprechende Verfahren bei Niederdruck zu betreiben und die verwendeten Anlagen explosionsfest, ggf. sogar detonationsfest, auszuführen. In diesem Zusammenhang können alternativ oder zusätzlich sicherheitsgerichtete Ableitungsmaßnahmen bzw. Ableitungsmittel, beispielsweise Berstscheiben oder Explosionsschutzklappen, eingesetzt werden.
Ganz allgemein muss das dem reaktiven Bereich zugeführte Gemisch aus brennbarem Prozessmedium (Kohlenwasserstoffe, insbesondere CH₄) und Oxidator (reiner Sauerstoff oder Gemisch mit Sauerstoffanteil) Ansprüchen genügen, die eine Gleichverteilung der Anströmung, eine minimale Rückvermischung, eine Vermeidung stagnanter Zonen und eine sichere Verhinderung des unerwünschten Vormischens von Sauerstoff und Prozessgas umfassen.
Durch die minimale Rückvermischung und die Vermeidung stagnanter Zonen sollen insbesondere lange Verweilzeiten des oxidierbaren Gemisches vermieden werden. Die Wahrscheinlichkeit einer lokalen Zündung und der unerwünschte Abbrand des Gemisches wird somit verringert.
Die Sauerstoff-Gastemperatur soll über den kompletten Reaktor, und über einen Sauerstoffverteiler nahezu uniform sein. Der Verteiler muss also so ausgeführt werden, dass die am wenigsten durchströmten Arme, d.h. typischerweise die vom Einspeisepunkt am weitesten entfernt liegenden Arme, bei einer Prozesstemperatur unterschiedlich zur Sauerstofftemperatur die Sauerstofftemperatur nicht wesentlich verändern um somit die Mischtemperatur über die gesamte Reaktorlänge ausreichend uniform zu halten, wobei eine Temperaturdifferenz typischerweise in einem Bereich von 5°C bis 10°C liegen sollte.
Ein unerwünschter Effekt ist die Angleichung der Prozessgastemperatur und der Sauerstofftemperatur um die Sauerstoffeinspeisung herum. Im Verteiler wird ein großer Sauerstoffstrom vom Prozessgas umströmt, während um die Endstücke (also in der Nähe der Einleitstelle) ein kleiner, bereits angewärmter, Massenstrom Sauerstoff vom Prozessgas umströmt wird, wobei die Mischtemperatur zur Prozessgastemperatur hin verschoben wird. Durch eine höhere Mischtemperatur wird die Wahrscheinlichkeit einer lokalen Zündung oder des unerwünschten Abbrandes erhöht.
Offenbarung der Erfindung
Die oben erläuterte Problematik wird durch einen Reaktor gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung.
Erfindungsgemäß wird hierbei ein Reaktordesign verwendet, bei dem ein Katalysatorbett nicht wie üblich in axialer Richtung durchströmt wird, sondern aus einem Zentralrohr heraus in radialer Richtung.
Die Erfindung ist nicht limitiert auf die OCM, sondern kann vielmehr auch für andere oxidative (stark exotherme) Reaktionen (z.B. insbesondere ODH, Herstellung von Maleinsäureanhydrid, Acrylsäure, aber auch Ethylenoxid, Propylenoxid, Acrylnitril, Methacrylsäure, Methacrylnitril und Phthalsäureanhydrid) angewendet werden.
In 1 ist eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Reaktors 100 schematisch gezeigt. Im Folgenden wird insbesondere auf diese Ausgestaltung Bezug genommen, wobei nicht alle diskutierten Varianten, insbesondere nicht in vollem Umfang, der in der Figur dargestellten Ausgestaltung entsprechen.
Der Methan- bzw. Prozessgasfeed wird so kalt wie möglich zugeführt, eine Minimaltemperatur abhängig von den Katalysatoreigenschaften wird aber erforderlich sein, um ausreichend schnelle Umsätze zu erreichen. Der Sauerstoff wird ebenfalls möglichst kalt dosiert, so dass sauerstoffreiche Zonen im Bereich der Zumischung relativ niedrige Temperaturen aufweisen.
Die Strömungsrichtung des Radialbetts ist von innen nach außen. Damit ist bei gegebener Mischungsweglänge die Verweilzeit in einem Inertbett 130 möglichst klein, was sowohl der Vermeidung möglicher Nebenreaktionen als auch der Baugröße des Apparats zugutekommt.
Der radiale Festbettreaktor 100 skaliert mit der Anlagenkapazität mit der Länge, die im Gegensatz zum Durchmesser weit weniger limitiert ist. Eine Skalierung ist also durch eine technisch einfach umsetzbare Verlängerung des Rohres möglich.
Das Methan bzw. Prozessgas wird durch ein Zentralrohr (auch als Einsatzstromverteiler 110 bezeichnet) zugeführt und tritt durch eine gelochte zylindrische Wand in das Inertbett 130 ein. Dort befindet sich die O₂-Dosierung (auch als Sauerstoffverteiler 120 bezeichnet), die, wie weiter unten ausgeführt, über ein separates Verteilsystem versorgt wird. Das gemischte Reaktionsgas strömt aus dem Inertbett 130 durch ein weiteres zylindrisches Lochblech, das die Schüttungen separiert, in die Katalysatorschüttung 140 (in der Folge auch als Katalysatorbett bezeichnet), in der die Reaktion stattfindet. Durch ein weiteres zylindrisches Lochblech tritt das Gas in einen leeren Ringspalt 150 ein, aus dem es über einen Produktausgang 152 als Produktgas entnommen wird. Der Produktausgang 152 kann dabei auch in Form von mehreren Produktableitungen ausgeführt werden, deren Produktstrom dann zu einem Gesamtproduktstrom vereinigt wird.
Durch die radiale Anordnung ist das Inertbett 130 im Vergleich zu einem Axialbett verkleinert, was bei gleichbleibender Strömungsweglänge zu einer höheren Geschwindigkeit führt. Das verkleinert das Inertbett 130, verringert die Verweilzeit und damit unerwünschte Reaktionen und verbessert die Mischwirkung. Je weiter man im Katalysatorbett 140 nach außen kommt, desto weniger Sauerstoff befindet sich im Gas, desto geringer ist die Neigung zur Entzündung und desto geringer ist die Geschwindigkeit, so dass erforderliche Verweilzeiten eingehalten werden.
Die Gasgeschwindigkeiten, die entsprechend der Reaktorauslegung erwünscht sind, werden eingehalten durch eine geeignete Wahl der Freiheitsgrade, also insbesondere des Durchmessers des Zentralrohrs 110, der Trennung zwischen Inertbett 130 und Katalysatorbett 140, des äußeren zylindrischen Durchmessers des Katalysatorbetts 140 sowie des Rohrdurchmessers.
Das kleinere Zentralrohr 110 kann erforderlichenfalls mit überschaubarem Aufwand auf Explosionsdrücke ausgelegt werden, wenn eine Rückströmung von Sauerstoff auf die Methanseite erwartet wird. Durch eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit des inneren Lochblechzylinders kann diese Rückströmung aber auch zuverlässig verhindert werden. Eine explosionsfeste Ausführung des Sauerstoffverteilers 120 ist ebenso möglich.
Der Sauerstoff wird dabei nicht mit dem Feed auf einmal zugeführt, sondern abschnittsweise (z.B. in mehreren in Serie hintereinander geschalteten Reaktoren 100) zugegeben. Durch die in jedem einzelnen Schritt bzw. Abschnitt geringe Sauerstoffmenge wird die Temperaturführung erleichtert. Der Vollumsatz begrenzt die maximal mögliche Temperaturerhöhung. Durch die Dosierung des Sauerstoffs in ein Inertbett 130 hinein erreicht man, dass die Partikeloberflächen der Inertpartikel Radikale quenchen und so flammenbildende Totaloxidationen weitgehend unterdrückt werden. Weiterhin kann sich der Sauerstoff beim Durchströmen des Inertbettes 130 quer zur Hauptströmungsrichtung verteilen, so dass O₂-Konzentrationsspitzen am Katalysator im Katalysatorbett 140 wirksam vermieden werden.
Da die Temperaturerhöhung begrenzt ist, kann auf eine Kühlung des Katalysatorbetts 140 verzichtet werden. Erst im Anschluss an den Festbettreaktor 100 wird das Reaktionsgas in einem Zwischenkühler gekühlt, bevor es in der nächsten Stufe (z.B. einem weiteren Reaktor 100) mit weiterem Sauerstoff umgesetzt wird. Auch das Zumischen kalten Frischgases ist eine Variante, mit der die Temperatur abgesenkt werden kann. Thermisch effizienter ist jedoch ein Zwischenkühler, mit dem die abzuführende Wärme auf dem hohen Temperaturniveau genutzt wird. Auch das bereits erwähnte Post Bed Cracking kann ergänzend oder alternativ zumindest anteilig zur Zwischenkühlung eingesetzt werden.
Für die Ausführung der einzelnen Reaktionsstufen wird jeweils ein radial durchströmtes Festbett vorgeschlagen.
Bei radial eingebauten Einsatzstromverteilern 110 ist durch die kleinere Fläche das Wärmeübertragungsverhalten meist vernachlässigbar.
Weiterhin soll die Sauerstoffeinspeisung 120 eine qualitativ ausreichende und schnelle Mischung von Prozessgas und Sauerstoff erzielen, eine kurze Verweilzeit vom Mischpunkt bis in die Reaktionszone (Katalysatorschüttung 140) sicherstellen (Ziel: kleiner als die Zündverzögerung im jeweiligen Umfeld. Relevante Parameter sind dabei insbesondere die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und der strömungsmechanische Aufbau) und eine Rückströmung von Prozessgas in die Sauerstoffeinspeisung 120 wirksam verhindern.
Der Reaktor 100 wird daher vorteilhafterweise so ausgeführt, dass das Prozessmedium vom Zentralrohr 110 über die gesamte Länge des Radialreaktors 100 ausreichend uniform mit minimaler axialer Trajektorie in das Katalysatorbett 140 einströmt. Das Prozessmedium wird über die gesamte Länge des Radialreaktors 100 um 90° umgelenkt, die axiale Strömungsgeschwindigkeit ist am Eintritt maximal und sinkt zum Ende auf nahezu null ab.
Der Sauerstoff wird über ein Verteilsystem 120 eingebracht, das über die komplette axiale Reaktionslänge ausreichende strömungsmechanische Gleichverteilung bei kleiner Mischtemperaturabweichung ermöglichen muss.
Das Prozessgas wird über eine Lochplatte um 90° umgeleitet. Der Druckverlust der Lochplatte ist mindestens um den Faktor 5 bis 10 höher als der Druckverlust im Zentralrohr 110. Zur besseren Verteilung kann das Zentralrohr 110 von beiden (axialen) Seiten mit dem Prozessgas beaufschlagt werden.
Alternativ dazu kann das Prozessgas über einen Vorverteiler 112 eingebracht werden. Dieses Rohr wird mit Aussparungen verschiedener Größe - zum Ende hin größer oder gleicher Größe, zum Ende hin erhöhte Anzahl - so versehen, dass abhängig von den lokalen Druck- und Strömungsverhältnissen eine gleichmäßige Vorverteilung abschnittsweise erreicht wird. Das Gas strömt aus dem Vorverteiler 112 in eine Beruhigungszone ein und tritt von dieser über eine Lochplatte nahezu uniform in die Mischzone über.
In einer weiteren Alternative wird das Prozessgasrohr 112 statt mit einfachen Aussparungen mit konvergenten-divergenten (Laval-)Düsen 114 versehen, die bei gleichem Vordruck faktisch eine Gleichdurchströmung induzieren. Das Prozessgas wird über den Vorverteiler 112 gleichmäßig über den Umfang und in radialer Richtung verteilt. Das Gas strömt somit aus dem Vorverteiler 112 in eine Beruhigungszone ein und von dieser über eine Lochplatte nahezu uniform in die Mischzone (d.h. das Inertbett 130) über.
Das Scaleup eines Radialbetts führt mit steigender Kapazität zu längeren Rohren, deren Durchmesser jedoch in erster Näherung beibehalten werden kann, wenn man von begrenzenden Strömungsgeschwindigkeiten in den Zu- und Abführungen absieht.
Zur Vermeidung der Bildung eines zündfähigen Gemisches durch Undichtigkeiten in den Sauerstoffzuführungen wird die Sauerstoffzuführung nicht zentral durch den Prozessgasverteiler geführt.
Die Sauerstoffzuführung 120 wird durch den Reaktorboden in einen mit Inertmedium beaufschlagten Raum in den Reaktor geführt. Der Sauerstoff kann über einen oder mehrere Stutzen, sinnhafterweise in einen oder mehrere / einen unterteilten Ringverteiler zugeführt werden.
Der Totraum bzw. das Leervolumen wird konstruktionstechnisch minimiert. Vorteilhafterweise wird der Reaktorboden hierbei mit einer gasdichten oder im Wesentlichen gasdichten Innenisolierung versehen.
Ausgestaltungen der Erfindung umfassen insbesondere Maßnahmen zur Erkennung einer Volloxidation und zur Reaktion hierauf, die nachfolgend erläutert werden.
Durch die Ausführung mit einem unterteilten oder mehreren Ringverteilern, die den Sauerstoff einzelnen Segmenten zuführen, kann der Sauerstoff bei Erkennen der lokalen vollständigen Umsetzung lokal in einem Verteiler 120 durch Inertmedium ersetzt oder abgeschaltet werden. Dadurch verlischt die (unerwünschte) Reaktion und die Reaktorzone kann anschließend neu mit Sauerstoff betrieben werden. Durch eine solche Ausführung kann die Verfügbarkeit des Reaktors 100 signifikant erhöht werden.
Die vollständige Umsetzung kann sich schwerlich über die Segmente hinaus fortbewegen. Ein Neustart betrifft nicht den gesamten Reaktor 100, sondern nur jeweils ein Segment. Die Anzahl der Segmente ist aus betriebstechnischer und bautechnischer Sicht (Anzahl der Stutzen) abzuwägen. Sinnvollerweise werden in der Größenordnung zwei bis zehn Segmente gewählt.
Die Maßnahmen zur Erkennung können gemäß einer ersten Option umfassen, die Misch-Zone im Inertbett 130 über die Reaktorhöhe mit einer Kette aus mehreren Temperatursensoren auszustatten.
Gemäß einer zweiten Option kann die Produktableitung 152 in jeder einzelnen Sektion ausgeführt werden. Jede Sektion kann auf erhöhten CO2-Gehalt analysiert werden. Ein ansteigender CO2-Gehalt ist eine signifikante Indikation des unerwünschten lokalen Abbrands. Dies ist gegenüber der Option 1 bevorzugt.
Vorteilhafterweise ist eine dichte Trennung der verschiedenen Reaktorsegmente über die verschiedenen Zonen nicht notwendig. Die verschiedenen Zonen des Reaktors werden radial uniform durchströmt. Die Grenzvermischung zwischen zwei Zonen ist hierbei insbesondere nicht signifikant.
Der Einbau von Führungsblechen/Trennwänden aus konstruktiven Gründen ist zulässig bzw. stört die Verwirklichung der erfinderischen Idee nicht.
Weitere Maßnahmen betreffen die Reaktorfüllung und Vermeidung von Totzonen und Rückführungen. Der Apparat wird aus Gründen der gleichmäßigen Befüllung mit den Inert- bzw. Katalysatorpellets zweckmäßigerweise stehend (also mit einer axialen Richtung des Reaktors in geodätisch senkrechter Richtung) ausgeführt. Da eine Schüttung dazu neigt, sich zu setzen, wird die Reaktorhöhe etwas höher ausgeführt als die aktive Reaktorhöhe, in der per Lochblech Methan und per Gasverteiler 120 O₂ zugeführt wird. Dadurch entsteht am oberen Ende ein Totvolumen, in dem sich Schüttungsmaterial befindet, das bei einem Setzen des Betts nachrutschen kann. Hierdurch können Kurzschluss- bzw. Bypass-Ströme vermieden werden. Dafür entsteht in dem Zusatzvolumen ein totes Ende. Um eine Anreicherung von Prozessgas in diesem toten Ende zu vermeiden, kann am Kopf optional eine geringe Menge Methan oder eines Inertgases aufgegeben werden.
Der Katalysator in dem Katalysatorbett 140 und das Inertmaterial im Inertbett 130 werden von oben eingefüllt. Da sowohl Katalysator wie auch Inertmaterial beim Hochtemperaturbetrieb eine Volumenvergrößerung zeigen, muss entsprechend zusätzlicher Expansionsraum zur Verfügung gestellt werden.
Üblicherweise werden Schüttbetten nicht vollständig gefüllt, so dass am Füllende ein freies Gasvolumen entsteht, das ein Totvolumen darstellt. Dieses Gasvolumen würde sowohl im Inertbett 130 wie auch im Katalysatorbett 140 eine zündfähige Mischung aus Prozessgas und Sauerstoff enthalten. Beide Betten werden daher vorteilhafterweise mit Kreisscheiben oder Kreisscheibensegmenten abgedeckt, die auf den Betten frei beweglich gelagert sind aber mit einer minimale Spaltweite ausgeführt sind und so den Volumenausgleich der Bettmaterialien erlauben.
Der Leerraum wird insbesondere mit einem Inertmedium auf Überdruck gehalten. Das Inertmedium strömt durch die Spalten in den Prozessraum. Als Inertmedium eignet sich hier jedes Medium, das nicht unmittelbar an der Reaktion teilnimmt, wie z.B. Stickstoff oder Edelgase. Ebenfalls geeignet ist Kohlenstoffdioxid, das auch als Nebenprodukt der OCM entsteht. Daher sind die Spalten möglichst minimal auszuführen. Durch die Überwachung der Inertgasmenge kann eine Beschädigung der Systeme gut erkannt werden (steigender Inertgasstrom bei gleichem Überdruck des Inertmediums gegen Prozessgas, aus Sicherheitsgründen wird als Vergleichsdruck der Prozessgasdruck gewählt).
Ein geeignetes Dichtsystem für die Räume ober- und unterhalb der Kreisscheibe(n) oder Kreisscheibensegmente muss also so ausgeführt sein, dass sich keine stagnanten Räume bilden können und eine Rückströmung nicht möglich ist, eine Segmentierung der Räume möglich ist, ein ausreichender Bewegungsspielraum vorhanden ist und eine sichere Funktion bei den hohen Prozesstemperaturen gewährleistet ist.
Ein Dichtlippensystem auf Polymerbasis ist aufgrund der hohen Prozesstemperaturen (mehr als 350°C) daher nicht sinnvoll einsetzbar.
In Ausgestaltungen der Erfindung werden daher die Räume ober- und unterhalb der Kreisscheibe(n) oder Kreisscheibensegmente mit einem Faltenbalg, also einer metallischen, mechanisch flexiblen Dichtkonstruktion, voneinander getrennt. Der Raum A befindet sich oberhalb der Kreisscheibe(n) und ist mit dem Spülgas (Inertmedium) beaufschlagt, der Raum B befindet sich unterhalb der Kreisscheibe(n), stellt also die Prozessseite dar.
Faltenbälge werden an beiden Enden mit den jeweiligen Konstrukten verschweißt, ein Öffnen geht daher mit einer mechanischen Zerstörung der Konstruktion einher.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird alternativ eine einfache federgestützte, auf Reibung basierende, austauschbare Konstruktion vorgeschlagen, die zusätzlich den Vorteil minimaler Totvolumina bietet.
Ein hierzu verwendeter Dichtkörper besteht insbesondere aus einem Material mit niedrigem Reibbeiwert, das bei den gewünschten Temperaturen noch niedrigen Verschleiß zeigt und formstabil ist (z.B. Bronze, Nickel-Basis-Werkstoffe, Keramiken).
Der Dichtkörper kann als kleine überlappende Segmente ausgeführt sein, wobei die Segmente entsprechend der Kontur der Wand ausgeführt sind.
Die Aufnahme wird vorteilhafter Weise von vorne gegen die Abdeckung befestigt (Schweißnaht). So wird das Volumen unter dem Dichtkörper zum Raum B hin minimiert.
Jeder Dichtkörper wird mit einer Feder (hier Tellerfeder) horizontal bespannt. Optional kann die Feder mit einem Sicherungsstift im gespannten Zustand blockiert werden, um die Montage zu erleichtern.
Der Dichtkörper wird zusätzlich in vertikaler Richtung von einer Feder auf Spannung gehalten, so dass sich die Dichtkörper bei Bewegungen nicht gegeneinander verklemmen können.
Der O₂-Strom kann vorteilhafterweise mit einem geeigneten, in Sauerstoffumgebung inerten oder nahezu inerten Medium verdünnt werden, um den Betrieb mit bzw. das Auftreten von 100% O₂ sicher zu vermeiden. Hier kommen insbesondere CO₂ und Wasser bzw. Wasserdampf in Frage. Grundsätzlich aber auch N₂, Edelgase etc., die jedoch in einem nachgeschalteten Zerlegungsteil hohen Aufwand zur Abtrennung erfordern. CO₂ kann hingegen durch eine Wäsche, insbesondere eine Aminwäsche, vergleichsweise leicht abgetrennt und zurückgeführt werden. Zusätzlich kann CO₂ auch als Reaktionspartner in der oxidativen Reaktion teilnehmen, z.B. als mildes Oxidationsmittel.
Da der Sauerstoff kalt dosiert wird, weisen sauerstoffreiche Zonen im Bereich der Zumischung relativ niedrige Temperaturen auf. Nachteilhaft bei radial durchströmten Katalysatorbetten ist, dass die Verteiler 110, 120 über die vollständige Länge des Reaktors aufgebaut sein müssen und nicht nur lokal über den Umfang. Dies führt, wie eingangs erwähnt, zu Herausforderungen hinsichtlich der Sauerstofftemperatur.
Die Verteiler (insbesondere Sauerstoffverteiler 120) können als isolierte Rohre ausgeführt werden. Dabei können außen- oder innenisolierte Rohre verwendet werden, wobei aufgrund der niedrigen Sauerstoffströmungsgeschwindigkeit außenisolierte Rohre bevorzugt sind.
Alternativ dazu können die Sauerstoffmenge bzw. Oxidationsmittelmenge und damit auch die Temperatur so angepasst werden, dass keine zusätzliche Isolierung des Verteilers 120 notwendig ist. Beispielsweise kann dabei das Oxidationsmittel nach Bedarf mit mehr oder weniger Inertgas verdünnt werden, um die Reaktionsenthalpie zu steuern. In diesem Fall wird eine Isolierung des Zentralrohres 110 / des Vorverteilers 112 zum Inertbett 130 hin, sowie eine Isolierung der Segmentabdeckung zur Minimierung der thermischen Strahlung auf die Verteiler 120 vorgesehen. Diese letztgenannte Variante ist präferiert.
Der Sauerstoffverteiler 120 ist als horizontales Verteilsystem mit mehreren vertikalen Einzelrohren 122 aufgebaut. Es wird mindestens ein horizontaler Verteiler installiert. Aus Druckverlustgründen können zwei (oben und unten) oder mehrere (weitere Zwischeneinspeisungen) horizontale Verteiler vorgesehen werden.
Die Rohre 122 können als vakuumisolierte Rohre ausgeführt werden oder als vakuumisolierte, mit einem Isoliermedium (z.B. Perlit) gefüllte Rohre ausgeführt werden. Besonders vorteilhaft wird der Vakuumraum auf Bruch mit einem Druckanzeiger (Druck steigt an) ausgestattet, um eine Leckage der Vakuumisolierung zu erkennen.
Alternativ oder zusätzlich zu den vakuumisolierten Rohren kann eine aktive Kühlung der Rohre 122 vorgesehen werden, beispielsweise durch Durchleiten eines Kühlfluids. Um die Kühlmenge in einem akzeptablen Bereich zu halten, wird das Kühlmedium in einer weiteren Passage im Isolierraum geführt.
Dabei ist insbesondere das Kühlmedium ist nicht direkt mit dem sauerstoffführenden Rohr verbunden und/oder das Kühlmedium wird so in die Isolierpassage eingebunden, dass beim Versagen einer Wandung keine Kontamination von Sauerstoff und Kühlmedium möglich ist (z. B. als Doppelrohr).
In einigen Ausgestaltungen wird als das Kühlmedium ein Teil des Prozessstroms oder ein anderer mit dem Sauerstoff zündfähiger Strom verwendet.
Diese (vertikalen) Rohre 122 werden mit Düsen / Löchern versehen. Insbesondere kann der Düsen-Druckverlust mehr als das Fünffache, Zehnfache oder bis zum Hundertfachen des Rohrdruckverlusts betragen.
Als Verhältnis des Inertkugeldurchmessers zum Düsendurchmesser wird vorteilhafterweise ein Wert aus dem Bereich um 2 oder auch aus dem Bereich von 2 bis 3, 2 bis 5 oder 2 bis 20 verwendet.
Durch die Ausführung als isoliertes Rohr und die damit inhärent definierte Düsenlänge (Wegstrecke durch die Isolierschicht hindurch) ist eine gute Ausrichtung der Strömung in der Düse sichergestellt. Bevorzugt entspricht die Düsenlänge mindestens dem Düsendurchmesser, oder mindestens dem doppelten bis zehnfachen Düsendurchmesser.
Die Strömungsgeschwindigkeit beträgt bei einem Sauerstoffgehalt mehr als 70 vol.-% vorteilhafterweise nicht mehr als 100 m/s.
Die Düsen werden vorteilhafterweise in einem Winkelbereich von 90° bis 180° innerhalb der radialen Ebene ausgerichtet, wobei 0° die Anströmungsrichtung des Prozessgases (also, auf den Reaktor 100 insgesamt bezogen, nach radial innen) und 90° die Umfangsrichtung darstellen. Besonders bevorzugt ist der Winkelbereich von 105° bis 120° bzw. bis 165°. Dadurch wird eine Einmischung von Prozessgas in die Düsen durch den Staudruck des Prozessgases vermieden.
Eine möglichst vollständige Vermischung von Prozessgas und Oxidationsmittel wird durch eine lotnahe Ausrichtung von Prozessgastrajektorie zu Oxidationsmitteltrajektorie gefördert.
Die Anströmung des (sauerstoffführenden) Rohres 122 durch das Prozessgas erfolgt idealerweise laminar, so dass die Strömungsablösung durch die Störung der Strömung durch den Oxidationsmitteljet erfolgt.
Es werden insbesondere mindestens zwei Düsen in jeder radialen Ebene (bezogen auf das Einzelrohr 122) vorgesehen, wobei auch nur eine oder bis zu zehn Düsen in jeder radialen Ebene vorgesehen werden können.
Alternativ können die Düsen auch abwechselnd (also nicht in einer radialen Ebene) in unterschiedlicher gleichmäßig verteilter Position (z.B. links / rechts) angeordnet werden.
Durch die Dicke der Isolierung wird das Gas, wie bereits erwähnt durch einen Kanal geleitet. Dies ist vorteilhaft in Bezug auf eine gute Ausrichtung des Düsenstrahls und eine gute Richtungswirkung. Ferner unterstützt der Druckverlust durch diesen Kanal die Gleichverteilung des Gases über alle Düsen. Außerdem wird dadurch eine Rückströmung in das Rohr 122 bei niedriger Last vermieden.
Mit der beschriebenen Anordnung kann die Sauerstoffmenge mit dem Feed umgesetzt werden, die der maximal zulässigen Temperaturerhöhung entspricht. Die erwünschten Umsätze liegen jedoch deutlich höher. Deshalb wird das Produktgas in einem Zwischenkühler abgekühlt und in einer nächsten Stufe (in einem weiteren Reaktor 100) nach Zugabe weiteren Sauerstoffs weiter umgesetzt.
Die Zwischenkühlung kann prinzipiell mit beliebigen Wärmeträgermedien erfolgen. Bevorzugt sind Verfahrensschritte, die das jeweilige hohe Temperaturniveau angemessen nutzen. Hier bieten sich Varianten an. Diese können, im Falle der OCM, insbesondere eine indirekte reaktive Kühlung mit Ethan und Wasserdampf umfassen, wobei ersteres dabei teilweise zu Ethylen und Wasserstoff gespalten wird. Auf diese Weise kann insbesondere Ethan aus der OCM, aber auch zusätzlich zugeführtes Ethan selektiv in Ethylen überführt werden. Eine Implementierung einer solchen reaktiven Kühlung ist nicht nur nach der letzten Reaktionsstufe der OCM möglich (post bed cracking, PBC). Eine indirekte Kühlung mit Wasser und Erzeugung von Hochdruckdampf, eine Salzschmelze oder ein Thermoöl (bei niedrigeren Temperaturen) kann ebenfalls vorgesehen sein, sowie eine Kombination der vorstehend genannten Methoden.
Ein weiterer Aspekt, speziell für den Anwendungsfall OCM: Erst nach der letzten Stufe ist ein direktes Post Bed Cracking durch direkte Zugabe von Ethan in den heißen Gasstrom wirklich sinnvoll, da als Zwischenschritt zugegebenes Ethan bzw. daraus abgeleitete Folgeprodukte in den nachfolgenden Reaktorstufen unerwünschterweise bevorzugt umgesetzt wird. Dennoch ist es möglich, dass man mit einem geeigneten selektiven Katalysator die C2-Oxidation unterdrücken kann, so dass auch direktes Post Bed Cracking zwischen den Stufen möglich ist. In einigen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wird daher Ethan auch zwischen zwei Reaktionsstufen dem Prozessgas beigemischt, bevor dieses in den nächsten Radialreaktor geführt wird.
Da die PBC-Reaktion gleichgewichtslimitiert ist, wird man nicht die gesamte Wärme per PBC aus dem Reaktionsgas entfernen können. Deshalb ist eine Kombination aus C2H6-Dehydrierung und Hochdruckdampferzeugung denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5362452 A [0012]
EP 2759338 A1 [0014]
US 5358698 A [0015]
US 2020/0368706 A1 [0016]
WO 2017/220343 A1 [0017]

Claims

Reaktor (100) zur katalytischen Umsetzung eines Einsatzstroms mit zumindest einem zylindrischen Reaktorrohr, dadurch gekennzeichnet, dass in dessen radialer Mitte ein Einsatzstromverteiler (110) mit in radialer Richtung verlaufenden Auslässen (114) angeordnet ist, in radialer Richtung außen an den Einsatzstromverteiler anschließend ein Inertbett (130) und an das Inertbett (130) in radialer Richtung außen anschließend ein Katalysatorbett (140), das dazu eingerichtet ist, eine Reaktion zumindest eines in dem Einsatzstrom enthaltenen Kohlenwasserstoffs mit Sauerstoff zu einer sauerstoffhaltigen organischen Verbindung zu katalysieren, angeordnet ist, wobei innerhalb einer radialen Zone, in der das Inertbett (130) angeordnet ist, zumindest ein Sauerstoffverteiler (120) angeordnet ist, der Düsen aufweist, die dazu eingerichtet sind, Sauerstoff aus dem Sauerstoffverteiler (120) in das Inertbett (130) abzugeben.
Reaktor (100) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Sauerstoffverteiler (120) innerhalb des Inertbettes (130) thermisch isoliert und/oder gekühlt ausgeführt ist.
Reaktor (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Einsatzstromverteiler (110) und/oder der Sauerstoffverteiler (120) auf Explosionsdrücke ausgelegt ist.
Reaktor (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Einsatzstrom im Einsatzstromverteiler (110) mittels Lochplatten um 90° umgeleitet wird und/oder mittels eines Vorverteilers (112) eingebracht wird und/oder mittels konvergent-divergenter Düsen (114), insbesondere Lavaldüsen, in das Inertbett (130) eingebracht wird.
Reaktor (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sauerstoffverteiler (120) einen oder mehrere Ringverteiler umfasst.
Reaktor (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Reaktorboden mit einer im Wesentlichen gasdichten Innenisolierung versehen ist.
Reaktor (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Einsatzstromverteiler (110) und/oder der Sauerstoffverteiler (120) so ausgeführt ist, dass er von zwei Seiten mit dem Einsatzstrom bzw. mit Sauerstoff beaufschlagt werden kann.
Reaktor (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere Einrichtungen zur Temperaturüberwachung im Inertbett (130) vorgesehen sind und/oder eine oder mehrere Produktableitungen (152) mit einer Einrichtung zur Detektion eines erhöhten CO2-Gehaltes eingerichteten Sensorik versehen ist.
Reaktor (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der stehend ausgeführt ist.
Reaktor (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Düsen des Sauerstoffverteilers (120) in einer Richtung angeordnet sind, die keinen Anteil nach radial innen aufweist.
Reaktor (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sauerstoffverteiler (120) parallel zu dem Einsatzstromverteiler (110) angeordnet ist.
Reaktor (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Inertbett (130) und/oder das Katalysatorbett (140) mit Kreisscheiben und/oder Kreisscheibensegmenten abgedeckt sind.
Reaktor (100) nach Anspruch 12, wobei Räume (A, B) ober- und unterhalb der Kreisscheibe(n) oder Kreisscheibensegmente mit einem Faltenbalg und/oder einer auf Reibung basierenden, austauschbaren Konstruktion abgedichtet sind.
Reaktor (100) nach Anspruch 13, wobei die auf Reibung basierende, austauschbare Konstruktion Dichtkörper umfasst, die als kleine überlappende Segmente ausgeführt sind und/oder wobei die Dichtkörper mit zumindest einer Feder in einer, in Bezug auf den Reaktor (100) in einer Radialebene liegender, Richtung, insbesondere in Radialrichtung, bespannt sind.
Reaktor (100) nach Anspruch 14, wobei die zumindest eine Feder mit einem Sicherungsstift blockiert werden kann.
Reaktor (100) nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Dichtkörper in, bezogen auf den Reaktor (100), axialer Richtung von zumindest einer Feder auf Spannung gehalten wird.
Anlage zur katalytischen Bearbeitung eines Einsatzstroms, die zumindest zwei Reaktoren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst, die in Reihe derart miteinander verschaltet sind, dass ein Produktausgang (152) eines ersten der zumindest zwei Reaktoren (100) in den Einsatzstromverteiler (110) eines zweiten der zumindest zwei Reaktoren (100) mündet.