DE2204539A1

DE2204539A1 - Apparat zur durchfuehrung chemischer reaktionen

Info

Publication number: DE2204539A1
Application number: DE2204539A
Authority: DE
Inventors: Mircea Laba; Toma Messinger; Gavril Musca; Ion Oprescu; Gheorghe Serban
Original assignee: INST DE CERCETARI PENTRU CHIMI
Current assignee: INST DE CERCETARI PENTRU CHIMI
Priority date: 1972-02-01
Filing date: 1972-02-01
Publication date: 1973-08-23

Description

Apparat zur D-urchführung chemischer Reaktionen Die Erfindung betrifft einen Apparat zur Durchführung chemischer exo- und endothermischer Reaktionen, mit oder ohne Volumenänderung, in Gegenwart eines Festbett- oder in Suspension befindlichen Katalysators, wobei die Reaktion zwischen gasförmigen oder gasförmigen und flüssigen Reaktanten stattfindet.
Ls sind Apparate bekannt, die zur Durchführung katalytischer exo- und endothermischer Reaktionen dienen, welche mit oder ohne Volumenänderung und mit Reaktanten in Gas- oder Flüssigkeitsphase arb@@ten und deren uersclnitt, längs der effektiven Reaktionslänge, ksnstant bleibt. @s sind gleichfalls Reaktionsapparate bekannt, in welcher Katalytische exo- oder endothermische Reaktionen mit der chne V@lumenänderung stattfinden, indem der @@@ ettkatalysator in einer oder mehreren Schichten ange@rdnet ist und einen kon stanten Querschnitt längs der gesamten @utzlänge des Reaktors beibehält, obwchl die Temperatur und die Vslumenänderung der Reaktanten in der Richtung ihrer F@rtbewegung die Kontaktzeit in jeder katalytischen @ikr@schicht wesentlich beeinflussen.
Diese Eigenheiten beeinflu@sen den Umeatzgradienten negativ. so daß für dessen Kenstanthalten längs der Reaktionszone eine Kontaktzeitänderung parallel zur Temperaturänderung stattfinden müßte.
Diese Tatsache wirkt sich noch nachteiliger im Fall endothermischer Reaktionen mit Volumenvergrößerung aus, wobei gleichzeitig mit der Volumenvergrößerung und der Temperaturabnahme auch eine Kontaktzeitveränderung eintritt. In diesem Fall nimmt der Umsatzgradient wesentlich in Fortbewegungsrichtung der Reaktanten ab, wobei der hochste Umsatz beim Eintritt in die Katalysatorschicht erzielt wird, wo die Temperatur und Kontaktzeit am höchsten sind, um nachher beim Fortschreiten in die Katalysatorschicht wesentlich abzunehmen.
Im Fall exothermischer gasförmig-flüssiger Reaktionen, welche mit großer Volumenabnahme ablaufen, mit Katalysatoren, entweder als Pestbett, Suspension oder Lösung, werden Apparate vom Kolonnentyp mit ebenfalls konstantem Querschnitt eingesetzt. Während des Reaktionsablaufes steigt die Temperatur, das Gesamtvolumen nimmt ab, die Kontaktzeit nimmt zu, so daß dadurch die ebenraktionen begunstigt werden und somit die Ausbeute an gewünschtem Produkt negativ beeinflußt wird.
Es sind auch Apparate mit veränderlichem Querschnitt bekannt, wie z. B. die kugelförmigen katalytischen Reaktoren.
Diese haben den Nachteil, daß die Kontaktzeit nicht mit der Reaktionstemperatur korreliert ist, da der Katalysatorbettquerschnitt beiderseitig veränderlich ist - er steigt, bis er ein Maximum erreicht, wonach er wieder abnimmt - und somit den Umsatz und die Selektivität ungünstig beeinflußt.
Der Apparat der vorliegenden Erfindung beseitigt diese Bachteile, indem er einen einseitig veränderlichen Querschnitt hat und dadurch einen konstanten Umsatz längs der gesamten utzlänge des Apparates sichert.
Das Wesen der Erfindung ist anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Apparat, der durch das Bauprofil'des Mantels einen veränderlichen Querschnitt sichert; Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Apparat, der durch einen kompakten kegelförmigen Einsatzkörper mit der Basis nach oben, im Katalysatorbett, den veränder lichten querschnitt sichert; Fig. 3 einen Längesolinitt durch einen Apparat, der sowchl durch Abänderung des @antels als auch durch einen kegelförmigen Einsatzkörper mit der Basis nach unten den veränderlichen Querschnitt sichert; Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Apparat mit veränderlichc Querschnitt, der durch zentrales Einsetzen eines kompakten ziegels mit der Basi nach unten erhalten ist; Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Au parat mit veränderlichem Querschnitt, der durch Abänderung des Mantels und zentrales Einsetzen eines kompakten Körpers mit rhombischem Irjfil erhalten ist; Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen Apparat mit veränderlichem Querschnitt, der mit kegelstumpfförmigem Mantel mit zylindrischem diffusorartigem Einsatz versehen ist; Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen Apparat mit veränderlichem Querschnitt mit zylindrischem Mantel, der mit einem kegelstumpfförmigen diffusorartigen Einsatz versehen ist.
Beispiel 1 Bs wird ein Apparat zur Durchführung volumenvergrößernder endothermischer heterogener katalytischer Reaktionen mit einseitiger Querschnittsveränderung durch eine besondere Bauweise des Apparatemantels erreicht.
Der Apparat der Fig. 1 besteht aus einem metallischen Gehäuse (1) , das ilnen mit feuerfester Keramik ausgemauert (2) ist, so da ein kegelstumpfförmiger Raum entsteht, der nach oben zu enger wird.
Ein eingebauter metallischer Rost (3) dient als Träger für das Katalysatorbett (49. oeffnungen am oberen (5! und unteren (6) Teil des Apparates gestatten die Zufuhr der Real.tionspartner bzw. die Abfuhr der Reaktionsprodukte.
Für Dehydrierungsreaktionen werden die Reaktionspartner - Kohlenwasserstoff und Wasserdampf - durch die Öffnung (5) eingespeist, wo sie bei Betriebstemperatur das Katalysatorbett erreichen. Während die Reaktion fortschreitet und das Volumen ansteigt, nimmt die temperatur ab, wobei aber die Kontaktzeit wegen der Vergrößerung des Bettquerschnittes konstant bleibt.
Auf diese Art wird eine optimale Korrelation zwischen Temperatur und Kontaktzeit und ein konstanter Umsatzgradient erreicht.
Beispiel 2 Ein Reaktionsapparat (Fig. 2) mit veränderlichem Querschnitt, der aus einem metallischen Gehäuse (1) besteht, ist mit Öffnungen am oberen (5) und unteren (6) Teil für die Zufuhr der Reaktanten bzw. die Abfuhr der Reaktionsprodukte und einem metallisc@@n A st als Tr@ger für das Katalysat@r bett versehen. Der veründerliche Querschnitt @ird durch einen kompakten Einsatzkörper (7) im @atalysatorbett (4) mit rhombiscliem ir t gesichert.
Beistiel 3 Für den Fall stark endothermischer Reaktionen mit großem Volumenanstieg, wo die @@twendigkeit einer großen Q@erschnittsveränderung besteht, wird ein Reaktionsapparat (Fig. 3) eingesetzt, Cer eine Baukombination der beiden in den obigen beispielen beschriebenen Apparate darstellt.
Durch abänderung der feuerfesten Ausmauerung (2) und durch Einführen ins Katalysatorbett eines demontierbaren, kegelförmigen Einsatzkörpers, der mit der Basis nach unten auf einem metallischen Trägerrost steht, ist dieses erreicht.
Die Reaktanten werden durch die Öffnung (5) eingesetzt, während durch die Cffnung (6) die Abfuhr der Reaktionsprodukte am unteren Teil des Apparates gesichert wird.
Beispiel 4 Für den Fall stark exothermischer Reaktionen mit Volumenabnahme vom Typ der Hydrier- oder Oxydationsreaktionen wird ein Apparat (Fig. 4) von gleicher Bauart wie der im Beispiel 2 beschriebene eingesetzt, mit dem Unterschied, daß der kegelförmige Einsatzkörper (7) mit der Basis nach oben auf dem metallischen Rost steht.
Während die Temperatur hier ansteigt und das Volumen der Reakti=nsrodukte abnimmt, ist für das Konstanthalten des Umsatzgradienten eine Kontaktzeitverkürzung notwendig.
Durch Vergrößerung der Reaktionsfläche beim Eintritt der Reaktanten und Verkleinerung derselben beim Austritt der Reaktionsprodukte wird eine Korrelierung zwischen Temperatur, Reaktantenvolumen und Kontaktzeit gesichert und somit ein wirkungsvoller Umsatzgradient erzielt.
Beispiel 5 Der veränderliche Querschnitt des Reaktionsapparates wird sowohl durch Abänderung der feuerfesten Ausmauerung als auch durch Einsetzen eines kompakten Körpers (7) mit rhombischem Profil in das Katalysatorbett (4) gewährieistet.
Die Zufuhr der Reaktanten bzw. die Abfuhr der Reaktionsprodukte geschieht wie bei den anderen Apparaten durch die Öffnungen (5) bzw. (6).
Beispiel 6 Für den Fall homogener Reaktionen vom gasförmig-flüssig oder flüssig-flüssig Typ mit einem als Suspension oder Lösung vorliegenden Katalysator wird ein kolonnenartiger Reaktionsapparat (8) (Fig. 6,) von Kegelstumpfform angewendet, bei dem axial ein zylindrischer Einsatz als Umlaufdiffusor (9) eingebaut ist. Am unteren Teil befindet sich die Leitung (1() für den Einsatz des flüssigen Reaktanten, welche zusammen mit der Leitung (11) für den gasförmigen Reaktanten und Lcitung (12) fur den als Suspension oder Lösung vorliegenden Katalysator bis in den Diffusor hineinführt, während sich am oberen Teil die Leitung (13) für die Abfuhr der Reaktionsprodukte befindet.
Nachdem die ganze Kolonne mit dem flüssigen Reaktanten und dem Katalysator unter vorgeschriebenen Verhältnibsen und Betriebsbedingungen gefüllt ist, wird über die Leitung (11) der gasförmige Reaktant unter Betriebstemperatur und Betriebsdruck eingesetzt.
wegen der stattfindenden Reaktion nimmt das Volumen des eingesetzten gasförmigen Reaktanten beim Fortschreiten in die Flüssigkeit ab, ruft aber dabei wegen des Diffus@reinsatzes (9) einen iiineren Umlauf hervor. Die nicht adsarbierten Gase verlassen kontinuierlich die Kolonne (8) über die am oberen Teil befindliche Leitung (13) zusammen mit dem flüssigen Reaktionsprodukt.
Die veränderliche Reaktionsoberfläche, welche durch diese bauart erreicht wird, korreliert ständig die Kontakt zeit zwischen gasförmigen und flüssigen Reaktanten und sichert gleichzeitig wegen der konstanten Geschwindigkeit eine optimale Turbulenz zu.
3eispiel 7 Für Reaktionen, welche bei hohem Druck ablaufen, und Reaktionsapparate vom Kolonnentyp, welche bautechnisch schwer zu gestalten sind, werden Apparate (Fig. 7) verwendet, welche sich von denen im Beispiel (6) beschriebenen nur dadurch unterscheiden, daß die Kolonne (8) zylindrisch und der Diffusor (9) kegelstumpfförmig, mit der großen Basis nach oben, gestaltet ist.
Die Erfindung bietet folgende V!rteile: - sie gestattet es, eine optimale Korrelierung zwischen Temperatur und Kontaktzeit in der P.eaktionszone zu erhalten; - sie gestattet es, konstante Geschwindigkeiten längs der ganzen Reaktionszone und somit eine konstante iärme- und Stoffübertragung zu erhalten; - sie gestattet es, strengere Temperaturbedingungen anzuwenden, welche zu höheren iroduktivitäten pro Volumeneinheit des Reaktors führen; - sie stellt einfache Lösungen zur Verfügung, die sowohl beim Bau neuer als auch beim Unibau klassischer Apparate Anwendung finden können.

Claims

P a t e n t a n s p r u c h

Apparat zur Darchführung chemischer Reaktionen in-Gegenwart eines festen oder flüssigen Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck einer optimalen Forrelierung zwischen Teoperatur und Kontaktzeit und Deibehaltung einer konstanten linearen Geschwindigkeit langs der Gesamthöhe der Reaktionszone und infolge dessen eines konstanten Umsatzgradienten eine eine einseitige Veranderung des Reaktionsquerschnittes bewirkende Bauform des metallischen Gehäuses (1) oder der Kolonne (8) angewandt wird, in dessen Innern entweder die feuerfeste Ausmauerung (2) eine auf diese einseitige Veränderung abgestinimte Porm erhält oder ein kompakter, inaktiver kegelförmiger Körper (7) entsprechend dieser einseitigen Veränderung eingesetzt wird.