DE2165658C3 - Fließbettreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Fließbettreaktor mit im Strömungsquerschnitt des Reaktorinnenraums angeordneten, sich radial erstreckenden Leitflächen.

In einem Fließbettreaktor werden bekanntlich ein oder mehrere Feststoffkomponenten in Form mehr oder weniger feiner Feststoffteilchen durch einen von unten eingeleiteten Gasstrom in einen sogenannten Fluidisierungszustand versetzt; die durch das aufsteigende Gas in einen Durchwirbelungszustand versetzten und gehaltenen Feststoffteilchen bilden dabei ein Fließbett, das sich in gewisser Weise flüssigkeitsähnlich verhält. Dieses Fließbettverfahren hat sich überall dort als vorteilhaft erwiesen, wo verhältnismäßig große Mengen von Feststoffteilchen mit großen Mengen von Gasen in innigen Kontakt gebracht und gleichzeitig bestimmte Verfahrensbedingungen wie Temperatur, Kontaktdauer, Durchsatz einschließlich relativ mäßiger Strömungsgeschwindigkeiten beispielsweise im Bereich von etwa 0,15 bis 3 m/sec kontrollierbar eingestellt und aufrechterhalten werden sollen. Bei den Feststoffteilchen kann es sich um das eigentliche Behandlungsgut oder aber auch um einen Prozeßkatalysator handeln, entsprechend kann es sich bei dem Fluidisierungs- oder Durchwirbelungsgas sowohl um einen gasförmigen eigentlichen Reaktionsteilnehmer als auch gegebenenfalls um ein bezüglich der betreffenden Reaktion im wesentlichen inertes, bloßes Durchwirbelungsmedium handeln, das gegebenenfalls gleichzeitig als Wärmeträger, Wärmeaustauschmittel, Verdünnungsmittel usw. dienen kann, und zwar kommen als Fluidisierungsgaskomponente sowohl von Natur aus gasförmige Stoffe als auch verdampfte Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemische in Frage. Als Beispiele für Prozesse, bei denen das Fließbettverfahren grundsätzlich besondere Vorteile erbringt, seien Hydrierungsverfahren, die Reformation von Naphtha, die Hydroentschwefelung, Oxydationsverfahren, die Ammoxydation, die Oxychlorierung sowie Absorptionsverfahren genannt.

Diese grundsätzliche Vorteilhaftigkeit des Fließbett-

prozesses wird für bestimmte Anwendungsfälle, insbesondere im großtechnischen Maßstab, dadurch beeinträchtigt, daß es innerhalb des Fließbettreaktors zu einer Rückströmung und gegebenenfalls Rückvermischung der Reaktionsteilnehmer bzw. der Reaktions produkte kommt, was zu einer Verlängerung der Berührungszeit zwischen den Reaktionsprodukten und einem gegebenenfalls vorgesehenen Katalysator führen kann, so daß ein übermäßiger Abbau eintritt und

ίο unerwünschte und/oder geringwertige Nebenprodukte wie beispielsweise Koks oder Gas bei Krackverfahren entstehen. So verlassen beispielsweise bei Krackverfahren, bei welchen z. B. Kohlenwasserdämpfe zur Erzeugung von Krackprodukten von unten nach oben

is durch ein auf einer Kracktemperatur befindliches Fließbett aus feinen Katalysatorteilchen geleitet werden, nicht alle Reaktionsprodukte das Katalysatorbett auf dem kürzesten Wege. Vielmehr wird ein Teil der Reaktionsprodukte in dem im fiuidisierten Zustand befindlichen Fließbett erneut umgewälzt und so längere

Zeit in Berührung mit den Katalysatorfeststoffteilchen

gehalten, was zu dem erwähnten übermäßigen Abbau und der Bildung geringwertiger Abfallprodukte führt

Diese Rückströmungs- und Rückvermischungseffekte

_'■> sind besonders nachteilig, wenn es sich um Reaktionen handelt, die in mehreren Reaktionsstufen verlaufen. So kommt es beispielsweise bei der zweistufigen Herstellung von Acrylsäure aus Propylen nach dem etwa in der US-PS 34 75 488 beschriebenen Verfahren zu einem

JO erheblichen oxydativen Abbau der Acrylsäure unter Bildung störender Nebenprodukte infolge der Rückströmung. Bei diesem Verfahren zur Erzeugung von Acrylsäure aus Propylen im Fließbett wird Propylen mit Sauerstoff, der gewöhnlich in Form von Luft zugeführt

r> wird, zur Erzeugung von Acrolein zur Reaktion gebracht, aus dem anschließend durch Reaktion mit Sauerstoff bzw. Luft und Wasser Acrylsäure entsteht. Diese beiden Reaktionen finden aufeinanderfolgend während des Durchsatzes der Reaktionsteilnehmer in dem fiuidisierten Katalysatorbett von unten nach oben statt. Gelangt ein Teil der hierbei gebildeten Acrylsäure infolge der erwähnten Rückströmung erneut nach unten, so wird sie infolge ihrer Instabilität leicht oxydiert und unter Bildung der unerwünschten Nebenprodukte,

·»■> wie beispielsweise Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Was ser und sogar Essigsäure, abgebaut.

Zur Vermeidung dieser durch die unerwünschte Rückströmung und Rückverniischung bedingten Nachteile ist es bereits seit langem bekannt, den Fließbettre-

^r>o aktor mit Hilfe von im wesentlichen waagerecht angeordneten durchlässigen Elementen wie gelochten Trennblechen, Zwischenböden oder Umlenkorganen in mehrere Kammern oder Stufen zu unterteilen. So ist es z. B. aus den US-PS J2 30 246 und 34 27 343 für die

Yj Herstellung ungesättigter Nitrile im Fließbettverfahren bekannt, den Fließbettreaktionsbehälter in der genannten Weise durch Zwischenböden in mehrere jeweils ein fluidisiertes Katalysatorbett enthaltende Kammern zu unterteilen, wobei jeweils die Höhe jeder Kammer nicht

ι·» größer als etwa das zweifache ihres Innendurchmessers ist; auf diese Weise erhält man einen mehrstufigen Reaktionsbehälter mit mehreren verfahrensmäßig hintereinander nachgeschalteten Fließbetten. Diese Unterteilung des Fließbettreaktors in mehrere

μ übereinander angeordnete Stufen oder Kammern durch sich im wesentlichen über den gesamten Behälterquerschnitt erstreckende teildurchlässige Zwischenböden od. dgl. führt jedoch bei Anlagen für Fließbettverfahren

im technischen Maßstab nicht zu befriedigenden Ergebnissen, und zwar wegen der verhältnismäßig hohen Gestehungskosten der notwendigerweise aus hochbeständigen Werkstoffen bestehenden Unterteilungsvorrichtungen, des weiteren wegen dem verhältnismäßig hohen Widerstand, welchen die Unterteilungsvorrichtungen für das Durchwirbelihigsgas (und auch für den Feststoffdurchsatz) darstellen, sowie wegen der Gefahr von Verstopfungen, sowie einer unerwünschten Klassierung der Katalysatoren oder anderweitigen Feststoffteilchen; außerdem hat sich gezeigt, daß die Rückströmung bzw. Rückmischung der Feststoff- und der Gaskomponenten durch diese bekannten Anordnungen mit Zwischenboden u.dgl. nur unzureichend unterbunden wird, während gleichzeitig die gute Regelbarkeit der Verfahrensbedingungen (insbesondere der Temperatur und des Wärmeübergangs, der Durchsatzgeschwindigkeit usw.), welche — neben dem innigen Feststoff/Gaskontakt — einen der Hauptvorteile des Fließbettprinzips darstellt, stark behindert wird.

Dies gilt auch für die Fließbettreaktoren gemäß der US-PS 27 83 249 und der US-PS 25 81 134. Aus der US-PS 27 83 249 ist es bekannt, zur Temperaturregelung bei exothermen Fließbettverfahren, um die Feuer- und Explosionsgefahr zu verringern, das Katalysatorfließbett in der vorstehend genannten Weise unter Anwendung von Trennblechen in mehrere Zonen zu unterteilen, wobei die Temperatur in jeder Zone selektiv und individuell durch Wärmetauscher gesteuert wird. Auch soweit die Unterteilungsböden gemäß den F i g. 3 bis 10 der Patentschrift ein oder mehrere größere Öffnungen aufweisen, stellen sie nach wie vor eine einschneidende Verringerung des für den Durchtritt verbleibenden freien Querschnitts und damit eine erhebliche Behinderung für den Gas- und Feststoffdurchsatz dar. Soweit etwa bei der Ausbildung gemäß F i g. 3 der Patentschrift die Unterteilungsböden an ihrem Umfang in Abstand von der Behälterwandung angeordnet sind, ist dies nach den der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden, nachfolgend dargelegten Erkenntnissen besonders nachteilig, weil hierbei trotz der sich über den Hauptteil des Behälterquerschnitts erstreckenden Unterteilungsböden keine wirksame Unterbindung der Rückströmung erreicht wird. Dies gilt speziell auch für den aus der US-PS 25 81 134 bekannten Fließbettreaktor, bei dem — zur Unterbindung lediglich der Gasrückströmung, nicht der Feststoffrückströmung — sich im wesentlichen über den gesamten Behälterquerschnitt erstreckende gitterförmige Roste bzw. Umlenkvorrichtungen vorgesehen sind, deren Durchbrechungen zwar so groß sind, daß sie mindestens 50% und vorzugsweise 75% oder 90% oder mehr des Innenquerschnitts ausmachen, wobei jedoch diese Zwischenunterteilungen an ihrem Umfang ebenfalls in Abstand von der Innenwandung des Reaktorbehälters angeordnet sind, womit nach den nachstehend erläuterten Erkenntnissen der vorliegenden Erfindung eine wirksame Unterbindung der Rückströmung grundsätzlich nicht erzielbar ist.

Der Erfindung liegt daher als Aufgabe die Schaffung eines Fließbettreaktors zugrunde, der bei einfachem Aufbau und geringen Gestehungskosten eine zuverlässige Unterbindung der Rückströmung und Rückvermischung der Fließbettkomponenten, und zwar insbesondere auch der Feststoffkomponenten, gewährleistet, ohne die vor allem durch die Verringerung des freien Querschnittes bedingten Nachteile der bekannten Anordnungen mit Querunterteilung (Behinderung der Fluidisierungsgasströmung und des Gesamtdurchsatzes usw.) aufzuweisen.

Zu diesem Zweck kennzeichnet sich ein Fließbettreaktor der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch im Abstand voneinander an den senkrechten Flächen des Reaktorinnenraums angeordnete ununterbrochene Ringflansche, die unterbrechungsfrei mit den senkrechten Flächen verbunden sind urd deren radiale Erstreckung so bemessen ist, daß der freie Strömungs querschnitt des Reaktorinnenraums um nicht mehr als etwa 10% verringert wird.

Der Erfindung liegt die neue und überraschende Erkenntnis zugrunde, daß ein wesentlicher Teil der Rückströmung insbesondere der Feststoffkomponenten in einer verhältnismäßig dünnen Schicht entlang allen senkrechten Begrenzungsflächen des Reaktorinnenraums konzentriert ist, wobei es sich bei diesen senkrechten Begrenzungsflächen sowohl um die Behälterwandung als auch um die Begrenzungsflächen im Inneren des Reaktorhohlraums, etwa an Steigrohren od. dgl., handelt. Indem erfindungsgemäß durch in Abstand voneinander an sämtlichen derartigen senkrechten Begrenzungsflächen angeordnete ununterbrochene Ringflansche verhältnismäßig geringer radialer

υ Dicke dieser hauptsächliche Anteil der Rückströmung unterbunden wird, wird mit einem verhältnismäßig geringen Kostenaufwand und ohne erhebliche Erhöhung des dem Gasstrom entgegengesetzten Strömungswiderstandes bzw. ohne nennenswerte Verringerung

in der Durchsatzleistung des Reaktionsbehälters die unerwünschte Rückumwälzung von Reaktionsprodukten auf ein in der Praxis nicht störendes tolerierbares Maß verringert. Durch diese erfindungsgemäße Unterteilung des Katalysatorfließbettes durch Verhinderung

η des Rückströmens nur in unmittelbarer Umgebung der senkrechten Begrenzungsflächen ist nicht nur die Beeinträchtigung des Gasdurchflusses (und damit der Durchsatzleistung), sondern auch der Einfluß auf die sonstigen Verfahrensbedingungen gering. Dieser Effekt

4Ii wird noch dadurch verstärkt, daß in unmittelbarer Umgebung der senkrechten Begrenzungsflächen des Reaktorinnenraums, wo erfindungsgemäß die Rückströmung verhindert wird, ohnehin kein nennenswerter aufwärts gerichteter Gasfluß stattfinden könnte, da

i"> dieser Bereich, entsprechend der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis, primär von den abwärts strömenden Feststoffteilchen des Fließbetts beansprucht wurde. Eine Anordnung nach der bereits erwähnten US-PS 25 81 134 ist nach den

Vi Erkenntnissen der vorliegenden Erfindung für eine wirksame Unterbindung der Festsioffrückströmung grundsätzlich ungeeignet, da hierbei gerade am Umfang der Unterteilungsgitter ein Zwischenraum zu der Behälterwandung verbleibt, in welchem gerade der

v, Hauptteil der Feststoffrückströmung stattfindet. Die bekannte Anordnung läuft der Erfindungserkenntnis sogar in besonderem Maß zuwider, als dort die Unterteilungsgitter gleichzeitig auch als Umlenkvorrichtungen ausgebildet sein sollen, welche eine Ablen-

M) kung des Fließbettgemischs aus Feststoffteilchen und Fluidisierungsgas u. a. auch nach außen bewirken sollen, was sogar eine Verstärkung des unerwünschten Rückflusses an den äußeren senkrechten Begrenzungswärrden zur Folge haben müßte.

f. ι Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die radiale Erstreckung der Ringflansche etwa 12,7 bis 51 mm beträgt. Die vertikalen Abstände der erfindungsgemäßen

ununterbrochenen Ringflansche bzw. Vorsprünge richten sich einerseits nach dem verfahrensmäßig gewünschten Ausmaß der Unterteilung des Behälters in einzelne Stufen, daneben jedoch bis zu einem gewissen Grad auch nach den Durchmesserabmessungen des Reaktionsbehälters. Im allgemeinen sollen die vertikalen Abstände nicht kleiner als mindestens 25 mm sein und andererseits nicht größer als etwa das 3fache des Innendurchmessers des Reaktionsbehälters betragen. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, daß die vertikalen Abstände zwischen den Ringflanschen bei einem Reaktorinnendurchmesser von weniger als 900 mm im Bereich zwischen etwa 150 und 300 mm und bei einem Reaktorinnendurchmesser von mehr als 900 mm im Bereich zwischen etwa 300 und 900 mm betragen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 im Längsschnitt eine bevorzugte Ausführungsform eines in Stufen unterteilten Reaktionsbehälters,

F i g. 2 eine weitere Ausführungsform eines Reaktionsbehälters in einer perspektivischen Teildarstellung,

F i g. 3 in einer F i g. 2 ähnelnden Darstellung einen Reaktionsbehälter mit mehreren Reaktionszonen und

Fig.4 und 5 in vergrößerten Teilschnitten weitere Ausführungsformen von Bauteilen zum Unterteilen eines Reaktionsbehälters in mehrere Stufen.

Zwar befindet sich in einem mit einem Fließbett arbeitenden Reaktionsbehälter das durch die Katalysatorteilchen gebildete Fließbett in ständiger Bewegung, doch konnte festgestellt werden, daß sich an allen senkrechten Begrenzungsflächen des Katalysatorbetts eine nach unten gerichtete Strömung in Form einer Schicht von größerer Dichte ausgebildet, deren Dicke in der Größenordnung von etwa 12,7 mm liegt. Ein solcher nach unten gerichteter Strom bildet sich sogar bei relativ niedrigen Gasströmungsgeschwindigkeiten von z. B. weniger als etwa 0,15 m/sec aus, doch macht sich diese Erscheinung bei höheren Gasströmungsgeschwindigkeiten in einem entsprechend größeren Ausmaß bemerkbar. Die Katalysatorteilchen strömen kontinuierlich nach unten, und zwar nicht nur an den seitlichen Begrenzungsflächen des Fließbetts, sondern auch an allen übrigen inneren senkrechten Flächen, z. B. an den Umfangsflächen der Tauchrohre von Zyklonen sowie an senkrecht angeordneten Kühl- oder Heizrohren. Dieses Abwärtsströmen von Katalysatorteilchen führt zu einer Rückmischung der Reaktionsprodukte mit den Reaktionsteilnehmern sowie zu einer unerwünschten Verlängerung der Berührungszeit, was zur Folge hat, daß sich unerwünschte sekundäre Reaktionen abspielen oder sich unerwünschte Bedingungen einstellen, die zu einer entsprechenden Verringerung der Ausbeute führen. Gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß man ein Katalysatorbett im Vergleich zum Stand der Technik auf bessere Weise in Stufen unterteilen kann, wenn man an den senkrechten Innenflächen des Reaktionsbehälters kurze seitliche Vorsprünge anbringt, welche die Abwärtsbewegung der erwähnten Katalysatorschicht von höherer Dichte unterbrechen und die Katalysatorteilchen so umlenken, daß sie sich wieder mit dem Hauptteil des Fließbetts vereinigen, und daß durch diese Maßnahme das Hindurchströmen von Gasen durch den Reaktionsbehälter nur in einem minimalen Ausmaß behindert wird. Die Unterteilungsvorrichtungen können in der verschiedensten Weise ausgebildet sein, und die erforderliche Anzahl solcher Vorrichtungen richtet siel nach der Höhe des Katalysatorbetts und der Anzahl voi Stufen, in die das Katalysatorbett unterteilt werden soli In Verbindung mit der firfindung werden die be

j Fließbetten üblichen bekannten Verfahren angewendet.

F i g. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eine:

insgesamt mit 2 bezeichneten Reaktionsbehälters, de:

zum Durchführen von Reaktionsprozessen der ver schiedensten Art geeignet ist. Der Reaktionsbehälter Ά

ίο enthält nahe seinem unteren Ende einen Verteilungsros 4 in Form einer gelochten Platte oder eines Siebes odei einer anderweitigen Ausbildung derart, daß er ein« Unterstützung für das Bett aus festen Katalysatorteil chen bildet und gleichzeitig bewirkt, daß das Fluidisie

i> rungsgas und/oder gasförmige Reaktionsteilnehmei gleichmäßig verteilt und in das Katalysatorbet eingeleitet werden. Der Rost 4 unterstützt ein Bett 6 au; festen feinkörnigen Katalysatorteilchen. Um das Bett zi fluidisieren, d.h., um es im Zustand einer turbulenter Suspension zu halten, wird ein Fluid, bei dem es siel gegebenenfalls um einen Reaktionsteilnehmer handelt über eine Rohrleitung 8 und ein Ventil 10 mit eine: solchen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt, daß die festen Teilchen über dem Rost 4 in wallende Bewegung gebracht werden und die Eigenschaften einer Flüssig keit annehmen, die im oberen Teil des Reaktionsbehäl ters durch einen Spiegel 12 abgegrenzt ist Ferner kanr man eine oder mehrere zusätzliche Speiseleitungen U vorsehen, damit dem Katalysatorbett Reaktionsteilneh

in mer zugeführt werden können. Das Katalysatorbet wird auf einer der Linie 12 entsprechenden Standhöhe gehalten, so daß sich eine Trennzone 16 ausbildet, ir welcher sich die Katalysatorteilchen von dem aus den Reaktionsbehälter abzuführenden Strom trennen kön

Ji nen. In dieser Trennzone ist ein Zyklonabscheider If angeordnet, der die feineren Katalysatorteilchen abscheidet, welche von dem abzuführenden Strorr mitgerissen werden. Der Zykionabscheider 18 ist mii einem Tauchrohr 20 versehen, mittels dessen die

4(i abgeschiedenen feinen Katalysatorteilchen zum unterer Teil des Katalysatorbetts zurückgeleitet werden. Der zt entnehmende Strom wird aus dem Reaktionsbehältei über eine Rohrleitung 22 abgeführt, woraufhin da! gewünschte Reaktionsprodukt zum Zweck seinei Gewinnung einem beliebigen bekannten Verfahrer unterzogen und z. B. gewaschen, destilliert odei absorbiert wird. Der bis jetzt beschriebene Reaktionsbehälter enthält ein einziges fluidisiertes Bett aus Katalysatorteilchen, und wenn ein solcher Reaktionsbe

w hälter mit einem Fließbett nach den bis jetzt üblicher Verfahren betrieben wird, bildet sich an allen Innenflächen des Reaktionsbehälters sowie längs der Außenfläche des Tauchrohrs 20 eine sich nach unten bewegende dichte Schicht aus Katalysatorteilchen aus. Wie

v"> erwähnt, hat die sich nach unten bewegende Schicht im allgemeinen eine Dicke in der Größenordnung von etwa 12,7 mm; die Dicke dieser Schicht richtet sich zum Teil nach der Größe des Reaktionsbehälters sowie der Strömungsgeschwindigkeit der Gase. Je nach der

η« Geschwindigkeit dieser Abwärtsströmung wird somit eine erhebliche Menge des Katalysators einer Rückumwälzung unterworfen.

Gemäß der Erfindung ist die seitliche Innenfläche des Reaktionsbehälters mit einer oder mehreren nach innen vorspringenden Rippen oder Flansche 24 versehen, und auf dem Tauchrohr 20 sind auf entsprechende Weise eine oder mehrere nach außen ragende Rippen odei Flansche 26 angeordnet Die Rippen oder Flansche 24

sind vorzugsweise als geschlossene, flache, kreisrunde Ringe ausgebildet, die mit der Innenfläche des Reaktionsbehälters durch Verschweißen oder auf andere Weise verbunden sind, während die Rippen oder Flansche 26 vorzugsweise als flache kreisrunde Ringe oder Scheiben ausgebildet und mit dem Tauchrohr 20 verschweißt sind. Die Rippen oder Flansche 24 und 26 sollen in radialer Richtung gegenüber den Flächen, auf denen sie angeordnet sind, vorzugsweise über eine Strecke von mindestens etwa 12,7 mm und vorzugsweise über eine Strecke zwischen etwa 12,7 und 51 mm vorspringen. Die radiale Abmessung jeder Rippe wird als die effektive Breite bezeichnet Zwar ist es möglich, Rippen oder Flansche vorzusehen, die in radialer Richtung über eine Strecke von mehr als 51 mm vorspringen, doch würde eine solche Maßnahme bezüglich der Unterteilung des Reaktionsbehälters in Stufen keine Vorteile bieten, denn die Dicke der nach unten strömenden Katalysatorschichten überschreitet in keinem Fall das Maß von etwa 19 mm. Bei kleinen Reaktionsbehältern, deren Durchmesser etwa nur 900 mm oder weniger beträgt, hat die nach unten strömende Schicht gewöhnlich eine Dicke von etwa 6,35 mm oder weniger.

Je größer die Breite der Flansche oder Rippen ist, in einem desto größeren Ausmaß verkleinern sie den effektiven Durchtrittsquerschnitt des Reaktionsbehälters, und sie bewirken eine Erhöhung des Gesamtwiderstandes, der den Gasen entgegengesetzt wird, die von unten nach oben durch das Katalysatorbett strömen. Je größer der Durchmesser des Reaktionsbehälters und des Katalysatorbetts ist, desto kleiner wird natürlich das Ausmaß, in dem Rippen oder Flansche 24 einer gegebenen Breite den freien Durchtrittsquerschnitt verringern, und der den hindurchströmenden Gasen entgegengesetzte Widerstand verringert sich in einem entsprechend kleineren Ausmaß. Wenn bei Reaktionsbehältern von kleinem Durchmesser eine optimale Betriebsweise erzielt werden soll, darf daher die Breite der Flansche oder Rippen nicht so groß sein, daß der freie Durchtrittsquerschnitt des Reaktionsbehälters um mehr als etwa 10% verkleinert wird. Aus Gründen der Deutlichkeit haben die Flansche 26 in F i g. 1 eine größere senkrechte Abmessung, d.h. eine größere Dicke als die Flansche 24. In der Praxis kann die Dicke der Flansche 26 gleich der Dicke der Flansche 24 oder größer oder kleiner als letztere sein. Die Dicke der Rippen oder Flansche kann variiert werden, doch wählt man vorzugsweise eine möglichst kleine Dicke, ohne jedoch eine Abmessung zu unterschreiten, bei der die Rippen oder Flansche nicht mehr selbsttragend sein würden. Die senkrechten Abstände zwischen den Flanschen oder Rippen an der betreffenden Fläche eines Reaktionsbehälters richten sich nach dem Ausmaß, in dem der Behälter in Stufen unterteilt werden solL In der Praxis wird es jedoch bevorzugt, eine Phasentrennung bzw. eine Unterteilung des Katalysatorbetts in getrennte Schichten oder Stufen innerhalb des Reaktionsbehälters mit Hilfe von Rippen oder Flanschen zu bewirken, zwischen denen Abstände von mindestens etwa 25 mm vorhanden sind; ferner sollen diese Abstände nicht größer sein als etwa das Dreifache des Innendurchmessers des Reaktionsbehälters. Im allgemeinen betragen die Abstände bei Reaktionsbehältern mit einem Innendurchmesser von weniger als 900 mm zwischen etwa 150 und 300 mm, und bei Reaktionsbehältern mit einem größeren Innendurchmesser etwa 300 bis 900 nun. Hierbei ist es jedoch nicht erforderlich, daß die Rippen oder Flansche in gleichmäßigen senkrechten Abständen verteilt sind, d. h. es ist nicht nötig, daß das Fließbett in mehrere Stufen von gleicher Höhe unterteilt wird.

Wenn die Rippen oder Flansche 24 und 26 in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise angeordnet sind, wird die nach unten gerichtete Strömung der dichten Katalysatorschichten längs der senkrechten Flächen des Reaktionsbehälters, d. h. längs der Innenfläche 30 seiner

ίο Seitenwand und der Außenfläche des Tauchrohrs 20, unterbrochen, und die dichten Schichten werden nach innen umgelenkt, wie es in F i g. 1 durch Pfeile schematisch angedeutet ist. Dies hat zur Folge, daß das Katalysatorbett 6 praktisch in mehrere Stufen oder

is Zonen unterteilt ist, innerhalb welcher sich die Katalysatorteilchen in heftiger Bewegung befinden, so daß die Gase jeweils nur während einer kurzen Zeit in Berührung mit dem Katalysator kommen, und daß die dampfförmigen Reaktionsprodukte und die Katalysa torteilchen im wesentlichen daran gehindert werden, jeweils von einer höher liegenden Zone zu einer tiefer liegenden Zone zu strömen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie angewendet werden kann, ohne die Benutzung von Hilfseinrichtungen in dem Reaktionsbehälter unmöglich zu machen oder zu beschränken. Beispielsweise kann der Reaktionsbehälter einen oder mehrere Wärmetauscher enthalten, durch die ein Kühl- oder Heizmittel geleitet werden kann, so daß die Möglichkeit besteht, die Temperatur des Katalysatorbetts zu regeln. Wenn jedoch die Benutzung solcher Hilfseinrichtungen dazu führt, daß zusätzliche senkrechte Flächen vorhanden sind, die eine erhebliche Länge haben, kann man diese Einrichtungen mit zusätzlichen Vorrichtungen zum Unterteilen des Katalysatorbetts in Stufen versehen. Ein Beispiel für eine solche Konstruktion ist in Fig.2 dargestellt, wo ein Teil eines dem Reaktionsbehälter 2 nach F i g. 1 ähnelnden Reaktionsbehälters 34 perspektivisch gezeigt ist. Der Reaktionsbehälter 34 ist mit Stufenabgrenzungsvorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art in Gestalt von unterbrochenen flachen Ringen oder Flanschen 36 versehen. Außerdem enthält der Reaktionsbehälter einen Wärmetauscher in Form einer Rohrschlange 38, durch die je nach den Erfordernissen der in dem Behälter durchzuführenden Reaktion ein Kühlmittel oder ein Heizmittel geleitet werden kann. Gemäß F i g. 2 umfaßt die Rohrschlange 38 zwei senkrechte Abschnitte. Nimmt man an, daß der Reaktionsbehälter 34 in der anhand von Fig. 1 beschriebenen Weise ein fluidisiertes Katalysatorbett enthält, bildet sich in diesem Reaktionsbehälter eine nach unten gerichtete Strömung von Katalysatorteilchen in Form einer relativ dünnen, jedoch dichten Schicht längs den Außenflächen der senkrechten Abschnitte der Rohrschlange 38 aus. Gemäß der Erfindung sind daher auch die senkrechten Abschnitte der Rohrschlange 38 mit ringförmigen Flanschen oder Rippen 42 versehen, die vorzugsweise als flache Ringe ausgebildet und mit den senkrechten Rohrabschnitten verschweißt sind. Die Rippen 42 sind vorzugsweise jeweils auf gleicher Höhe mit den entsprechenden Rippen oder Flanschen 36 angeordnet und haben die gleiche Dicke und Breite wie die Flansche 36. Die Ringe oder Rippen 42 unterbrechen das Abwärtsströmen des

es Katalysators längs der senkrechten Abschnitte der Rohrschlange 38, und die Ringe 36 wirken auf den längs der Innenfläche der Seitenwand des Reaktionsbehälters nach unten strömenden Katalysator in der anhand von

F i g. 1 bezüglich der Unterteilungsvorrichtungen 26 und 24 beschriebenen Weise. Natürlich könnte man in dem gleichen Reaktionsbehälter auch mehrere Rohrschlangen vorsehen, die auf gleicher Höhe oder in verschiedenen Höhen angeordnet sein können. Ferner könnte jede Rohrschlange nur einen senkrechten Abschnitt oder mehr als zwei senkrechte Abschnitte umfassen. Die beschriebene Erscheinung des Abwärtsströmens des Katalysators innerhalb eines Fließbetts kann auch an geneigten Flächen auftreten. Der Ausdruck »eine im wesentlichen senkrechte Fläche« bezeichnet daher hier sowohl eine senkrechte Fläche als auch eine geneigte Fläche, die in einem solchen Ausmaß geneigt ist, daß ein Katalysator in der beschriebenen Weise in Form einer dünnen und relativ dichten Schicht an ihr entlang nach unten strömt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie sich bei Reaktionsbehältern anwenden läßt, in denen sich mehrere Reaktionen nacheinander abspielen sollen, ferner bei Reaktionsbehältern, in denen jeweils nur eine einzige Reaktion abläuft, sowie bei Reaktionsbehältern, die eine zum Abschrecken dienende Zone bzw. eine Zone zum Regenerieren des Katalysators umfassen. Beispielsweise kann die Erfindung bei einem zweistufigen Prozeß angewendet werden, der dazu dient, Propylen in Acrolein und dann das Acrolein in Acrylsäure umzuwandeln, und bei dem beide Reaktionsschritte in der beschriebenen Weise in ein und demselben Katalysatorbett durchgeführt werden. Ferner kann man die Erfindung jeweils bei einem der nachstehend genannten Prozesse anwenden, bei denen die Ergebnisse dadurch verbessert werden, daß in dem Katalysatorbett eine Abschreckzone vorhanden ist, um den Ablauf der Reaktion zu begrenzen und um eine Rückumwälzung von Bestandteilen zu verhindern, die von Katalysatorteilchen absorbiert worden sind; zu diesen Prozessen gehört erstens die Erzeugung von Äthylendichlorid aus Äthylen und Chlor, zweitens die Umwandlung von Anthrazen in Anthrachinon sowie drittens die Umwandlung von Naphthalin in Phthalsäureanhydrid. Weitere Einzelheiten über die Umwandlung von Anthrazen bzw. Naphthalin in einem Reaktionsbehälter mit einer Abschreckzone finden sich in der US-PS 27 83 249.

Um ein weiteres Beispiel für die Anwendbarkeit der Erfindung zu geben, sei erwähnt, daß man eine Unterteilung eines Reaktionsbehälters in Stufen gemäß der vorstehenden Beschreibung auch bei einem mit einem Fließbett arbeitenden Reaktionsbehälter vorsehen kann, der dazu dient, Maleinsäureanhydrid aus einem aromatischen Kohlenwasserstoff, z. B. Toluol, zu erzeugen, wobei der Reaktionsbehälter eine erste Reaktionszone umfaßt, die auf einer Temperatur gehalten wird, bei welcher die Toluolseitenkette oxidiert wird, um Benzaldehyd und Benzoesäure zu erzeugen, sowie eine zweite Reaktionszone, in der Maleinsäureanhydrid durch oxidatives Aufreißen des Ringgefüges gebildet wird. Ein solcher Reaktionsbehälter ist in Fig.3 dargestellt; er umfaßt einen zylindrischen Reaktionsbehälter 44, in dem ein Katalysatorbett 46 durch einen VerteileTost 48 bzw. ein Gitter unterstützt ist Der Reaktionsbehälter ist mit einer Rohrleitung 50 zum Zuführen eines oxidierenden Gases, einer Rohrlei tung 52 zum Zuführen von gasförmigem Toluol als Reaktionsmittel und einer weiteren Rohrleitung 54 zum Zuführen eines zweiten oxidierenden Gases versehen. Das Bett 46 besteht aus Katalysatorteilchen von geeigneter Zusammensetzung und Größe, z. B. einem Katalysator, der gemäß dem Beispiel 2 der US-PS 27 83 249 hergestellt ist, und dieser Katalysator wird durch das oxidierende Gas, ζ. Β. Luft oder Sauerstoff fluidisiert, so daß er ein Fließbett bildet, dessen Höhe durch die gestrichelte Linie 56 angedeutet ist. Der Reaktionsbehälter ist auf seiner Innenseite mit zwei sich in der Umfangsrichtung erstreckenden Rippen oder Flanschen 58 und 60 versehen, die in den aus F i g. 3 ersichtlichen verschiedenen Abständen über dem Gitter

tu 48 angeordnet sind. Die Rippen 58 und 60 sind vorzugsweise als gesonderte flache Ringe hergestellt und mit der Innenfläche der Seitenwand des Reaktionsbehälters verschweißt. Diese Rippen dienen in der beschriebenen Weise dazu, das Katalysatorbett in Stufen zu unterteilen, so daß das Katalysatorbett gemäß F i g. 3 drei Stufen umfaßt, nämlich eine erste Reaktionszone, eine zweite Reaktionszone und eine Abschreckzone. Der Raum oberhalb des Fließbetts 46 bildet die Trennzone, in der sich die feinen Katalysatorteilchen unter der Wirkung der Schwerkraft von dem abgeführten Strom der Reaktionsprodukte trennen. Hierbei erstreckt sich ein Katalysatorbett in Form einer dichten Phase im wesentlichen von dem Verteilungsgitter 48 aus nach oben bis zum oberen Ende der Abschreckzone.

-''> Temperaturregelelemente in Form einzeln steuerbarer U-Rohr-Wärmetauscher 62, 64 und 66 sind in waagerechter Lage in dem Katalysatorbett in der jeweils gewünschten Höhe angeordnet, wie es aus Fig.3 ersichtlich ist, um innerhalb jeder Zone eine Tempera-■ turregelung zu ermöglichen, wie es erforderlich ist, um die erste bzw. die zweite Oxidationsreaktion in der gewünschten Weise ablaufen zu lassen, bzw. die Reaktion zu unterbrechen. Alle feinkörnigen Stoffe, die von dem abzuführenden Gasstrom mitgerissen werden,

■■ werden mit Hilfe einer Filtriereinrichtung 70 zurückgehalten. Diese Filtriereinrichtung könnte natürlich auch durch einen Zyklonabscheider ersetzt sein.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Verwendung flacher Ringe oder Flansche, und die

>' Elemente zum Abteilen der Stufen brauchen nicht notwendigerweise genau waagerecht angeordnet zu sein, sondern sie können auch eine geneigte Lage einnehmen. Beispielsweise ist es gemäß F i g. 4 möglich, als Stufenunterteilungselement für die Innenfläche einer

-<'> Reaktionsbehälterwand 72 einen Ring 74 zu verwenden, der eine kegelstumpfförmige Gestalt hat und an der Wand gemäß F i g. 4 so befestigt ist, daß der freie Rand des Rings höher liegt als sein an der Wand befestigter Rand. Ein konischer Ring bzw. eine konische Scheibe

><> kann als Stufenunterteilungselement auch bei einem Tauchrohr oder einer Heizschlange oder einem anderen im wesentlichen senkrecht angeordneten Bauteil verwendet werden, das in dem Katalysatorbett in einem Abstand von der Seitenwand des Reaktionsbehälters angeordnet ist Ferner ist gemäß der Erfindung daran gedacht, Stufenunterteilungselemente zu verwenden, die eine gekrümmte, z. B. konkave Querschnittsform haben. Fig.5 zeigt ein Stufenunterteilungselement 76 mit einer solchen Form, das an der senkrechten

t>° Umfangsfläche einer Rohrleitung 78 befestigt ist, bei der es sich um das Tauchrohr eines Zyklonabscheiders oder einen Teil einer Kühlschlange bzw. einer Heizschlange handeln könnte. Für jeden Fachmann ergeben sich weitere Möglichkeiten, im Rahmen der Erfindung weitere andere Querschnittsformen für die Rippen oder Flansche zu wählen. In jedem Fall ist es wichtig, daß sich das Stufenunterteilungselement in einer seitlichen Richtung gegenüber der senkrechten Fläche erstreckt,

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an der es befestigt ist, und daß seine seitliche Abmessung ausreicht, zu gewährleisten, daß das Abwärtsströmen des Katalysators längs der betreffenden senkrechten Fläche verhindert wird. Wie erwähnt, soll sich jedes Stufenunterteilungselement in seitlicher Richtung über eine Strecke erstrecken, die vorzugsweise im Bereich von etwa 12,7 bis 51 mm liegt.

Natürlich läßt sich die Erfindung allgemein bei Reaktionsbehältern mit Fließbetten und bei anderen mit Fließbetten arbeitenden Einrichtungen anwenden, die dazu dienen. Gase und feste Stoffe in Berührung miteinander zu bringen, denn die erfindungsgemäße Unterteilung in Stufen hängt von der Art des

verwendeten Katalysators weder ab, noch von den jeweiligen Reaktionen bzw. den durchzuführenden Prozessen ab. Die Teilchengröße des Katalysators, die Berührungsdauer und die linearen Gasströmungsge-

ΐ se !ιwindigkeiten werden in jedem Fall so gewählt, daß bei dem betreffenden katalytischen Reaktionsprozeß unter Benutzung eines FlieUbetts optimale Ergebnisse erzielt werden. Eine Anwendbarkeit der Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich bei Reaktionsbehältern gegeben, bei denen die Korngröße des Katalysators 1 bis !000 Mikron, die mittlere Berührungsdauer 1 bis 25 see und die Gasströmungsgeschwindigkeit etwa 0,15 bis 3 πι/sec betrag'.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Fließbettreaktor mit im Strömungsquerschnitt des Reaktorinnenraums angeordneten, sich radial erstreckenden Leitflächen, gekennzeichnet durch im Abstand voneinander an den senkrechten Flächen des Reaktorinnenraums angeordnete ununterbrochene Ringflansche (24,26,36,42,58,60, 74, 76), die unterbrechungsfrei mit den senkrechten Flächen verbunden sind und deren radiale Erstrekkung so bemessen ist, daß der freie Strömungsquerschnitt des Reaktorinnenraums um nicht mehr als etwa 10% verringert wird.

2. Fließbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Erstreckung der Ringflansche (24,26,36,42,58,60,74, 76) etwa 12,7 bis 51 mm beträgt.

3. Fließbettreaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Abstände zwischen den Ringflanschen (24,36,58,60,74) bei einem Reaktorinnendurchmesser von weniger als 900 mm im Bereich zwischen etwa 150 und 300 mm und bei einem Reaktorinnendurchmesser von mehr als 900 mm im Bereich zwischen etwa 300 und 900 mm betragen.