DE2400528C3

DE2400528C3 - Vorrichtung zur Durchführung der exothermen Dampfphasenoxydation von Kohlenwasserstoffen

Info

Publication number: DE2400528C3
Application number: DE19742400528
Authority: DE
Inventors: Vagab Safarovitsch Aliev; Nasim Museib Ogly Gusejnov
Original assignee: Ordena Trudovogo Krasnogo Znameni Institut Neftechimitscheskich Prosessov Imeni Akademika Jug Mamedalieva Akademii Nauk Aserbajdschanskoj Ssr Baku (sowjetunion)
Current assignee: Ordena Trudovogo Krasnogo Znameni Institut Neftechimitscheskich Prosessov Imeni Akademika Jug Mamedalieva Akademii Nauk Aserbajdschanskoj Ssr Baku (sowjetunion)
Priority date: 1974-01-07
Filing date: 1974-01-07
Publication date: 1978-03-09
Also published as: DE2400528A1; DE2400528B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung der exothermen Dampfphasenoxydation von Kohlenwasserstoffen an einem aufwirbelbaren Katalysator mit vorgegebener Kornzusammensetzung, bestehend aus einem vertikalen Hohlkörper mit Stutzen zur Einführung der Reaktionskomponenten und zur Ableitung der Reaktionsprodukte, in welchem wenigstens ein an beiden Enden offenes Rohr als Reaktor und eine Vorrichtung zum Umlauf eines Kühlmittels im Hohlraum des Körpers untergebracht sind.

Die Vorrichtung kann z. B. bei der Herstellung von Äthylenoxid, Propylenoxid, Acrolein, Malein- oder Phthalsäureanhydrid verwendet werden.

Es ist eine Reaktionsvorrichtung zur Durchführung exothermer heterogener Oxydationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen auf einem Katalysator mit einer vorgegebenen Kornzusammensetzung bekannt, die einen Hohlkörper enthält, in welchem wenigestens ein Reaktor und eine Vorrichtung zum Umlauf eines vom Reaktor die Reaktionswärme ableitenden Kühlmittels im Hohlraum des Körpers untergebracht sind (P. W. Simakow, »Äthylenoxid«, Verlag Chimia, Moskau [1967], S. 228,229,232).

Die bekannte Reaktionsvorrichtung hat einen zylindrischen Körper mit Deckeln, in deren jedem ein Stutzen vorhanden ist, der zur Einführung der Reaktionskomponenten bzw. zur Ableitung der Reaktionsprodukte dient. Im Körper sind parallel zu dessen Achse über 10 000 Rohre angeordnet, von welchen ein jedes ein Reaktor ist. Die freien Rohrenden sind in Rohrboden befestigt, die zwischen dem Körper der Vorrichtung und dem Deckel eingeklemmt sind. Der Körper weist Stutzen zur Einführung und zur Ableitung des Kühlmittelsauf.

Die oben beschriebene Reaktionsvorrichtung arbeitet wie folgt:

Vor dem Beginn der Reaktionsdurchführung werden die Reaktorrohre mit Katalysatorkörnchen gefüllt, deren Größe in Abhängigkeit von der Leistung der Vorrichtung gewählt wird. Dann führt man über den Stutzen in einem Körperdeckel in die Einrichtung die vorher vermischten und erwärmten Reaktionskomponenten unter Druck ein, welche den mit Katalysator gefüllten Reaktorrohren zugeführt werden. Dabei verläuft auf der Katalysatoroberfläche die Oxydation. Da die Katalysatorkörnchen teilweise miteinander in Kontakt kommen, verläuft aber die Reaktion nur auf der freien Körnchenfläche. Das heißt, daß der Katalysator unvollkommen ausgenutzt wird. Darin besteht einer der wesentlichen Nachteile der bekannten Reaktionseinrichtung.

Bei der Durchführung von Reaktionen, die von der Abgabe größerer Wärmemengen begleitet werden, z. B. bei der Oxydation von Äthylen, finden Nebenreaktionen einer vollen Verbrennung eines Teils des zu oxydierenden Produktes statt, deren Wärnieeffekl den Wärmeeffekt der Hauptreaktion bedeutend übersteigt. Zum Beispiel ist es aus der »'ollen Gleichung der Reaktion der Äthylenoxydation ersichtlich, daß die Wärmeentwicklung bei der Äthylenverbrennung den Wärmeeffekt der

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Hauptreaktion mehr als um das 1 Ofache übersteigt:
2C₂H₄O 4- 29,3 kcal/Mol

3CH₄ + 4O₂
\
2CO₂ 4- 2H₂O 4- 337,8 kcal/Mol

Eine Temperatursteigerung in der Reaktionszone der Reaktoren trägt ihrerseits zu einer Vergrößerung der Ablaufgeschwindigkeit der Nebenreaktion bei. Zur Ableitung der Wärmeüberschüsse von den Reaktoren läuft im Zwischenrohrraum des Körpers das Kühlmittel um. Dabei erfolgt eine Steuerung des Prozesses, indem an das Kontrollpult Temperaturparameter des Oxydalionsprozesses geleitet werden, der in einem jeden der Reaktorrohre verläuft. Die Reaktionsprodukte werden aus dem Hohlkörper der Reaktionseinrichtung über den Stutzen in einem von deren Deckeln abgeleitet und der Aussonderung des angestrebten Produktes von den nicht umgesetzten Komponenten zugeführt.

Die bekannte Reaktionsvorrichtung weist in der Regel infolge des Vorhandenseins einer großen Anzahl von Reaktorrohren bedeutende Abmessungen auf. was auch zu deren Nachteilen gehört.

Noch ein Nachteil der bekannten Reaktionsvorrichtung besteht in deren begrenzter Leistung, die von der Größe der Oberfläche des Katalysators abhingt, mit welcher die Reaktionskomponenten in Kontakt kommen. Die Konstruktion der bekannten Reaktionsvorrichtung ermöglicht es, die Leistung nur durch eine Änderung der Anzahl der Reaktorrohre zu regeln. Das ruft seinerseits bei einer Vergrößerung der Anzahl der Rohre eine Vergrößerung des Körperdurchmessers, der Dicke der Körperwände und der Rohrboden hervor.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Reaktionsvorrichtung besteht darin, daß eine stabile Wärmehaltung längs der Höhe eines jeden Reaktorrohres und in der gesamten Vorrichtung kompliziert ist. Das wird dadurch erklärt, daß beim Auffüllen der Rohre mit den Katalysatorkörnchen eine verschiedene Aufschütthöhe der Katalysatorschichi darin in Abhängigkeit von der gegenseitigen Lage der Körnchen, d. h. von deren Kompaktheitsgrad in einem jeden Rohr vorkommen kann. Das hat Unterschiede in der freien Katalysatorfläche, auf welcher die Reaktion verläuft, zur Folge. Daher verteilen sich die Reaktionskomponenten in den Rohren ungleichmäßig, was eine Stabilitätsstörung der Wärmehaltung längs der Höhe eines jeden Rohres herbeiführt. Eine Folge davon sind eine Steigerung der Temperatur in einzelnen Rohren über den zulässigen Wert und eine Vergrößerung der Ablaufgeschwindigkeit der Nebenreaktionen, die von einer starken Wärmeentwicklung begleitet sind. Dieser Umstand führt örtliche Überhitzungen der Rohre, ein Sintern des Katalysators darin und ein Ausfall dieser Rohre herbei.

Es ist außerdem eine Vorrichtung zur Regelung der Teilchenzirkulation in einer insbesondere Erdölverarbeitungsanlage bekannt (DT-OS 15 42 521), die die Merkmale der eingangs genannten Einrichtung aufweist und mit aufwirbelbarem Katalysator arbeitet, jedoch obligatorisch zwei verschiedene Reaktionszonen, nämlich eine eigentliche Reaktorzone, wo der Katalysator eine gewünschte chemische Reaktion fördern soll, und eine Regenerierzone zum Regenerieren des Katalysators aufweist. Außerdem sind Zyklone, mehrere Regelventile, Rohrleitungen mit scharfer Reaktionsstrom- bzw. Katalysatorstrcmbewegungsänderung usw.

vorgesehen, so daß diese bekannte Vorrichtung kompliziert und aufwendig ist und sich nicht zur Durchführung exothermer Oxydationsreaktionen eignet

Schließlich ist eine Vorrichtung für katalytische Reaktionen in der Gasphase bekannt (DT-OS 23^4 164), die einen von der Gasmischung seitlich durchströmten Katalysatorzylinderbehälter enthält, in dem der Katalysator praktisch stationär vorliegt, so daß seine Oberfläche nicht optimal zur Wirkung kommt. In der anschließenden Aufwärtsgasströmung wird keine Reaktion mehr katalysiert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß sie mit möglichst einfachen Mitteln automatisch die gewünschte Zirkulation des aufgewirbelten Katalysators und eine optimale Ausnutzung der Katalysatoroberfläche bei der exothermen Dampfphasenoxydation von Kohlenwasserstoffen ohne besondere Regenerierzone ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß darin zwischen dem Hohlkörper, in dessen unterem Teil sich die Katalysatorschicht befindet, und dem Stutzen zur Einführung der Reaktionskomponenten eine mit dem Körper starr verbundene Mischkammer angeordnet ist. in welche der Reaktor hineinragt, und daß neben dessen Ausgangsöffnung zwischen dem Hohlkörper und dem Ableitungsstutzen für die Reaktionsprodukte ein Abscheider zur Trennung der Reaktionsprodukte vom Katalysator angeordnet ist.

Mit dieser Anordnung wird erreicht, daß sich der gewünschte Katalysatorumlauf ausschließlich durch die Einleitung der Reaktionsausgangsgemische automatisch richtig einstellen läßt, so daß besondere Regelventile und Meßgeräte nicht benötigt werden. Außerdem ist die Einrichtung kompakt und weist einen relativ geringen Metallaufwand auf.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Mischkammer einen Behälter darstellt, in dessen Innerem ein zur Lenkung der Reaktionsmischung in den Reaktor dienender Kegelstumpfmantel mit einer Öffnung gegenüber der Eingangsöffnung des Reaktors angeordnet ist, welcher Kegelstumpfmantel sich von oben nach unten in der Richtung auf diese öffnung zu verjüngt, wobei die Größe des Winkels zwischen dem Kegelstumpfmantel und der Innenfläche des Behälters und die Fläche der öffnung im Mantel in Abhängigkeit von der Leistung der Einrichtung und von der Korngröße des Katalysators dimensioniert sind.

Diese Konstruktion der Mischkammer ermöglicht es, dem Reaktor das Reaktionsgemisch mit einer für die Durchführung der Reaktion erforderlichen Zusammensetzung zuzuführen, welche die maximale Ausbeute am angestrebten Produkt sichert.

Es ist auch zweckmäßig, daß der Abscheider einen Behälter mit einem den Reaktordurchmesser bedeutend übersteigenden Durchmesser darstellt, der einen Stutzen zur Beschickung des Hohlkörpers der Reaktionsvorrichtung mit dem Katalysator vor dem Beginn der Prozeßdurchführung und einen darin angeordneten Mantel hat, welcher zu einer Änderung der Stromrichtung der dem Reaktor entströmenden Reaktionsprodukte mit dem Katalysator dient und in welchen der Reaktor mit seiner Ausgangsöftnung teilweise derart hineinragt, daß zwischen der Innenfläche des Mantels und dem Reaktor ein Spalt für den Durchgang der Reaktionsprodukte und des Katalysators entsteht. Dabei sind der Abstand der Ausgangsöffnunß des

Reaktors von der gegenüberliegenden Mantelfäche und der Innendurchmesser des Abscheiderbehälters in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des dem Reaktor entströmenden Gemisches der Reaktionsprodukte und des Katalysators zu dimensionieren. ^s

Das vorgeschlagene Verhältnis der Behälterdurchmesser des Abscheiders und des Reaktors ermöglicht es, die Geschwindigkeit der dem Reaktor entströmenden Reaktionsprodukte und des Katalysators bis auf einen Wert herabzusetzen, der für die Katalysatorabschei- u> dung ausreichend ist.

In einer der Ausführungsvarianten der Erfindung ist der Reaktor im Körper der Vorrichtung mit der Möglichkeit angeordnet, den Höhenabstand zwischen seiner Eingangsöffn.ung und dem Mantel der Mischkammer zu regeln, wozu am Reaktor in dessen oberem Teil Konsolen befestigt sind, die sich auf an der Innenfläche des Hohlkörpers verankerten Bunden lose abstützen, auf deren Stützflächen Regeleinlagen aufsetzbar sind.

In einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung ;o ist im unteren Teil des Hohlkörpers der Vorrichtung ein damit verbundener Ring angeordnet, in welchen der Reaktor lose hineinragt und welcher zum Zentrieren der Eingangsöffnung des Reaktors in bezug auf die öffnung im Mantel der Mischkammer dient.

Noch eine Ausführungsvariante der Erfindung besteht darin, daß der Hohlkörper wenigstens einen über der Katalysatorschicht angeordneten zusätzlichen Stutzen trägt, welcher zur Einleitung der von den Reaktionsprodukten getrennten, nicht umgesetzten v> Komponenten zwecks Durchführung der Oxydationsrcaktion dieser Komponenten auf dem aus dem Abscheider zugeführten Katalysator im über dem bzw. den Stutzen befindlichen Hohlraum des Hohlkörpers dient.

Diese Maßnahme trägt zu einer Leistungssteigerung der Reaktionsvorrichtung bei.

Es folgt eine ausführliche Beschreibung zweier Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnung; darin zeigt 4"

Fig. I eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Oxydationsvorrichtung im axialen Längsschnitt,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Mischkammer im axialen Längsschnitt,

Fig. 3 den Bereich III in Fig. 1 in einem vergrößerten Maßstab,

Fig.4 den Schnitt IV-IV in Fig. 1 in einem vergrößerten Maßstab,

F i g. 5 den erfindungsgemäßen Abscheider im axialen Längsschnitt,

F i g. 6 den Schnitt VI-VI in F i g. 5,

F i g. 7 die Reaktionsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsvariante im axialen Längsschnitt und

F i g. 8 den Schnitt VIH-VIII in F i g. 7.

Die Vorrichtung ist zur Durchführung der Reaktionen der Dampfphasenoxydation von Kohlenwasserstoffen auf einem Katalysator bestimmt Im vorliegenden Fall wird die Vorrichtung mit einem Reaktor betrachtet, die zur Oxydation von Äthylen (C2H4) bestimmt ist Mit dem <>o gleichen Erfolg kann diese Vorrichtung zur Oxydation anderer Kohlenwasserstoffe verwendet werden.

Die Vorrichtung enthält den Hohlkörper 1 (Fig. 1), welcher eine senkrecht aufgestellte zylindrische Wand 2 mit Flanschen 3 und 4 darstellt, an welchen passend <·5 unten die Mischkammer 5 und oben der Abscheider 6 befestigt sind, die ihrerseits Flansche 7 bzw. 8 aufweisen.

Im Hohlkörper 1 ist der Reaktor 9 angeordnet, der ein koaxial mit dem Hohlkörper I angebrachtes Rohr darstellt, dessen Durchmesser in Abhängigkeit von der Leistung der Vorrichtung dimensioniert wird.

Im Unterteil des Hohlkörpers 1 ist im Ringraum zwischen dem Reaktor 9 und der Innenfläche der Wand 2 der Katalysator IO untergebracht. Zwecks Oxydation von C₂H₄ werden als Katalysator mit einer Silberschicht überzogene Korundkörnchen verwendet. Die Körnchengröße entspricht der Leistung der Vorrichtung und deren konstruktiven Parametern.

In der Katalysatorschicht 10 ist ein Rohrschlangewärmeaustauscher 11 angeordnet, in welchem ein Kühlmittel umläuft, das die überschüssige Reaktionswärme vom Reaktor 9 abführt. Zum Ein- und Auslauf des Kühlmittels sind am Hohlkörper 1 Stutzen 12 vorhanden.

Die Mischkammer 5 stellt einen Behälter 13 (Fig. 2) dar, dessen Durchmesser in der Regel gleich dem Durchmesser des Hohlkörpers 1 gewählt wird, so daß er dessen Verlängerung bildet. Der Behälter 13 hat zwei Stutzen 14 zur Einführung der Reaktionskomponenten C₂H₄ (Äthylen) und O₂ (Sauerstoff). In den Behälter 13 ragt teilweise der Reaktor 9 mit seiner Eingangsöffnung 15 hinein. In der Nähe dieser öffnung ist im Behälter 13 ein Kegelstumpfmantel 16 befestigt, der zur Lenkung der Reaktionskomponenten und des durch den Strom der Reaktionskomponenten aus dem Hohlkörper 1 in den Reaktor 9 mitgerissenen Katalysators 10 dient. Der Katalysator 10 und die Reaktionskomponenlcn stellen auf diese Weise das Reaktionsgemisch dar.

Damit ein Durchbruch der Reaktionskomponenten in den Hohlraum des Hohlkörpers 1 verhindert wird, soll die Höhe der Katalysatorschicht 10 zur Erzeugung eines erforderlichen Widerstands und Staus des Katalysators 10 bei dessen Einsaugen in die Mischkammer 5 ausreichend sein. Im vorliegenden Fall beträgt die Schichthöhe das 0,2- bis 0,4fache der Höhe des Reaktors 9.

Der Mantel 16 stellt einen Kegelstumpf dar, welcher sich von oben nach unten in Richtung auf die Eingangsöffnung 15 des Reaktors 9 zu derart verjüngt, daß sich die öffnung im Mantel 16 unterhalb der Eingangsöffnung 15 des Reaktors 9 koaxial zu dieser befindet.

Die Mantelform hängt von der Katalysatorart und -form und von Prozeßparametern ab. Sie kann als ein Paraboloid bzw. Kugelteil ausgeführt werden.

Zwischen dem Mantel 16 und der Innenfläche des Behälters 13 ist ein bestimmter Winkel α vorhanden, dessen Größe wie auch die Fläche der Öffnung im Mantel 16 in Abhängigkeit von der Leistung der Reaktionsvorrichtung gewählt werden. Im vorliegenden Fall beträgt der Durchmesser der Öffnung im Mantel 16 das 0,6- bis 0,75fache des Durchmessers des Reaktors 9. Zwischen dem Mantel 16 und dem in diesen hineinragenden Reaktor 9 entsteht ein Ringspalt, dessen Größe 6 durch die Lage des Reaktors 9 im Hohlkörper 1 bestimmt wird und auch von der Leistung der Vorrichtung abhängt Zu diesem Zweck hat der Reaktor 9 in seinem Oberteil die am Kreisumfang in der gleichen Höhe gleichmäßig angeordneten Konsolen 17 (Fig. 1), welche sich auf den an der Innenfläche der Wand 2 des Hohlkörpers 1 befestigten Bunden 18 lose abstützen. Eine Regelung des angegebenen Abstandes zwischen dem Reaktor 9 und dem Mantel 16 erfolgt, indem man zwischen den Stützflächen der Konsolen 17 und der Bunde 18 Regeleinlagen 19 (Fig.3) einsetzt Im vorliegenden Fall beträgt die Größe ό das 0,25- bis

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0,40fache des Durchmessers des Reaktors 9. Zum Zentrieren der Eingangsöffnung des Reaktors 9 in bezug auf die Öffnung im Mantel 16 weist der Hohlkörper 1 den Ring 20 (F i g. 4) auf, der damit durch radiale Stege 21 verbunden ist. In die Öffnung des Rings 20 ragt der Reaktor 9 lose hinein.

in seinem (in der Zeichnung) unteren Teil trägt der Behälter 13 (F i g. 2) der Mischkammer 5 einen Stutzen 22 zur Austragung des Katalysators 10 aus dem Hohlkörper 1.

Im (in der Zeichnung) oberen Teil des Hohlkörpers 1 ist der damit verbundene Abscheider 6 angeordnet. Er stellt einen zylindrischen Behälter 23 (Fig. 5) dar, dessen Durchmesser den Durchmesser des Reaktors 9 bedeutend übersteigt. Im Behälter 23 ist koaxial damit der Mantel 24 angeordnet, in welchen der Reaktor 9 mit seiner Ausgangsöffnung 25 teilweise hineinragt. Zwischen der Innenfläche des Mantels 24 und dem Reaktor 9 (Fig.6) entsteht ein ringförmiger Spalt zum Durchgang des dem Reaktor 9 entströmenden Gemisches der Reaktionsprodukte und des Katalysators 10. Der Mantel 24(F ig. 5)dientzur Richtungsänderung des Stroms der dem Reaktor 9 entströmenden Reaktionsprodukte nebst dem Katalysator 10 und zum Schutz des Behälters 23, insbesondere dessen Oberteils, vor einer Erosion infolge von Schlägen durch Körnchen des Katalysators 10, die den Reaktor 9 mit einer hohen Geschwindigkeit verlassen, in Abhängigkeit von welcher der Abstand zwischen der Ausgangsöffnung 25 des Reaktors 9 und dem Oberteil des Mantels 24 des Abscheiders 6 gewählt wird.

Zwecks Herabsetzung der Geschwindigkeit der dem Ringspalt zwischen dem Reaktor 9 und dem Mantel 24 entströmenden Reaktionsprodukte übersteigt der innendurchmesser des Behälters 23 um das 6- bis 8fache den Durchmesser des Reaktors 9. Der Mantel 24 weist, damit er im Behälter 23 des Abscheiders 6 befestigt wird, von außen am Kreisumfang auf zwei Ebenen seiner Höhe gleichmäßig angeordnete Konsolen 26 auf, die sich auf Bunden 27 abstützen, welche an der Innenfläche des Behälters 23 des Abscheiders 6 befestigt sind.

Am Abschnitt des Reaktors 9, der in den Mantel 24 hineinragt, sind von außen an dessen Kreisumfang gleichmäßig verteilte Konsolen 28 vorhanden, die sich auf Bunden 29 lose abstützen, welche an der Innenfläche des Mantels 24 befestigt sind. Bei einer Regelung des Abstandes zwischen dem Reaktor 9 und dem Mantel 16 der Mischkammer 5 werden zwischen den Stützflächen der Konsolen 28 und der Bunde 29 (nicht eingezeichnete) Regeleinlsgen angebracht. Diese Einlagen werden gleichzeitig mit den Einlagen 19 (F i g. 3) zwischen den obenerwähnten Konsolen 17 am Reaktor 9 und den Bunden 18 am Hohlkörper 1 eingesetzt.

Der Behälter 23 des Abscheiders 6 trägt im (in der Zeichnung) oberen Teil einen Stutzen 30 zur Ableitung der Reaktionsprodukte nebst den nicht umgesetzten Kohlenwasserstoffen, im vorliegenden Fall Äthylen.

Außerdem trägt der Behälter 23 einen Stutzen 31 zur Beschickung des Hohlkörpers 1 der Reaktionsvorrichtung mit dem Katalysator 10 vor dem Beginn der Oxydation.

In der vorgeschlagenen Vorrichtung ist die Möglichkeit vorgesehen, die Oxydation des im Reaktor 9 nicht umgesetzten Äthylens auf dem Katalysator durchzuführen, der aus dem Abscheider 6 zurückgeführt wird. Zu diesem Zweck sind in der Wand 2 (Fig. 1) des Hohlkörpers 1 der Vorrichtung oberhalb der Katalysa

torschicht 10 die Stutzen 32 vorhanden.

F i g. 7 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsvariante der Reaktionsvorrichtung mit mehreren Reaktoren 9. In diesem Fall werden für alle Reaktoren 9 gemeinsam eine Mischkammer 5 und ein Abscheider 6 verwendet. Die Anordnung der Reaktoren 9 im Hohlkörper 1 der Einrichtung zeigt F i g. 8.

In der Ausgangsstellung vor dem Betrieb sind in der Reaktionsvorrichtung alle Stutzen geschlossen, und die Lage des Reaktors 9 im Hohlkörper 1 ist mit Hilfe der Regeleinlagen 19 eingestellt, die zwischen den Stützflächen der Konsolen 17 und der Bunde 18 sowie denen der Konsolen 28 und der Bunde 29 eingesetzt sind. Auf diese Weise sind der Abstand <5 zwischen der Eingangsöffnung 15 des Reaktors 9 und dem Mantel 16 sowie der Abstand zwischen der Ausgangsöffnurig 25 des Reaktors 9 und dem Mantel 24 des Abscheiders 6 in Übereinstimmung mit der Leistung der Vorrichtung und der Körnung des Katalysators 10 eingestellt. Die Stutzen 14 der Mischkammer 5 sind zunächst an zuführende Leitungen für Heißluft und für Äthylenluftgemisch angeschlossen. Der Stutzen 30 des Abscheiders 6 kommuniziert mit der Atmosphäre zur Heißluftableitung und mit der Auslaßleitung für Reaktionsprodukte aus de, Reaktionsvorrichtung zur Abscheidung der nicht umgesetzten Komponenten vom angestrebten Produkt. Die Stutzen 32 sind an eine Leitung zur Zufuhr der abgeschiedenen, nicht umgesetzten Komponenten in einem Luftgemisch angeschlossen.

Die Reaktionsvorrichtung arbeitet wie folgt:

Vor dem Beginn der Durchführung der Äthylenoxydation öffnet man den Stutzen 31 und beschickt den Hohlkörper 1 der Einrichtung mit der für die vorgegebene Leistung der Vorrichtung erforderlichen Menge des Katalysators 10, welcher im Ringraum zwischen dem Reaktor 9 und der Wand 2 untergebracht wird. Dann schließt man den Stutzen 31 und öffnet den Stutzen 14 des Behälters 13 der Mischkammer 5 sowie den Stutzen 30 des Behälters 23 des Abscheiders 6. Die Heißluft mit einer Temperatur von 300⁰C strömt in die Reaktionsvorrichtung zwecks Erwärmung des Katalysators 10 und der gesamten Vorrichtung. Der Luftstrom aus dem Behälter 13 der Mischkammer 5 wird durch den Mantel 16 zur Öffnung 15 des Reaktors 9 gelenkt. Die Heißluft wird mit einer Geschwindigkeit zugeführt, die für die Erzeugung eines Unterdrucks vor dem Eingang in den Reaktor 9 ausreichend ist. Infolgedessen wird der Katalysator 10 aus dem Hohlkörper 1 in den Reaktor 9 eingesaugt, indem er durch den Ringspalt δ zwischen dem Mantel 16 und dem Reaktor 9 strömt. Des weiteren strömt das Luft-Katalysator-Gemisch in den Reaktor 9. passiert diesen und wird über die Ausgangsöffnung 25 dem Mantel 24 des Abscheiders 6 zugeführt. Dann wird das Luft-Katalysator-Gemisch durch den Ringspalt zwischen dem Mantel 24 und dem in diesen hineinragenden Reaktor 9 dem Behälter 23 des Abscheiders 6 zugeführt, wo infolge einer starken Geschwindigkeitsabnahme des Luftstroms mit dem Katalysator 10 der letztere unter Wirkung der eigenen Schwere in den Hohlkörper 1 der Vorrichtung herabfällt, während die Luft in den Behälter 23 strömt und über den Stutzen 30 in die Atmosphäre entweicht Die Heißluft wird so lange zugeführt, bis der Katalysator 10 auf eine Temperatur erhitzt wird, welche zur Durchführung der Äthylenoxydation erforderlich ist, d. h. bis auf 280 bis 300" C Sobald diese Temperatur erreicht worden ist, wird die Luftzufuhr abgestellt, man schließt die Stutzen 14 an die Zufuhrleitung des Äthylen-Luft-Gemisches und den

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Stutzen 30 an die Auslaßleitung der Reaktionsprodukte aus der Reaktionsvorrichtung an. Danach beginnt man, der Mischkammer 5 der Reaktionsvorrichtung das bis auf 300⁰C erhitzte Äthylen-Luft-Gemisch zuzuführen. Aus dem Behälter 13 der Mischkammer 5 wird das ■> Äthylen-Luft-Gemisch durch den Mantel 16 zur Eingangsöffnung 15 des Reaktors 9 gelenkt, neben welcher ein Unterdruck entsteht, der zum Einsaugen des Katalysators 10 aus dem Hohlkörper 1 in den Reaktor 9 beiträgt. Der Katalysator 10 bildet mit dem Äthylen- i<> Luft-Gemisch ein Reaktionsgemisch. Bei einer stationären Zufuhrgeschwindigkeit des Äthylen-Luft-Gemisches wird die optimale Zusammensetzung des Reaktionsgemisches gewährleistet, in welcher die Katalysatorkonzentration 135 bis 160 kg/m' beträgt. Das is Reaktionsgemisch strömt durch den Reaktor 9 von unten nach oben. Dabei übersteigt die Geschwindigkeit des Äthylen-Lufi-Gemisches etwa um das 2fache die Geschwindigkeit des Katalysators 10, bei dem jedes Körnchen eine fortschreitende und eine um seine Achse rotierende Bewegung ausführt. Auf diese Weise kommt die gesamte Katalysatorfläche mit dem Äthylen-Luft-Gemisch in Kontakt und nimmt an der Ätliylenoxydation teil. Das trägt zu einer Steigerung der Geschwindigkeit des Reaktionsablaufs sowie zu einer praktisch :> momentanen Wärmeübertragung zwischen dem Kata-•ysator und dem Äthylen-Luft-Gemisch bei und schließt örtliche Überhitzungen im Reaktor 9 aus. Im Ergebnis wird Äthylen zum Älhylenoxyd oxydiert. Diese Reaktion wird von einer bedeutenden Wärmeabgabe begleitet. Zwecks Aufrechterhaltung der Temperatur im Reaktor im Bereich von 280 bis 300⁰C und Ableitung der überschüssigen Reaktionswärme, welche im wesentlichen infolge der Nebenreaktion der Verbrennung einer Äthylenteilmenge im Sauerstoff der Luft entsteht, }·;. schaltet man den Rohrschlangewärmeaustauscher 11 ein, welcher im Ringraum zwischen dem Reaktor 9 und dem Hohlkörper 1 untergebracht ist. Im Wärmeaustauscher 11 läuft Kühlmittel, zum Beispiel Freon, um, welches, nachdem es den Wärmeaustauscher verlassen ^u hat, abgekühlt und diesem wieder zugeführt wird.

Die inlolge der Äthylenoxydation entstandenen gasförmigen Reaktionsprodukte werden zusammen mit dem Katalysator über die Ausgangsöffnung 25 des Reaktors 9 dem Mantel 24 des Abscheiders 6 zugeführt. Da der Durchmesser des Mantels 24 bedeutend gsößer als jener des Reaktors 9 ist, setzt sich die Geschwindigkeit der aus diesem Reaktor strömenden Reaktionsprodukte und des Katalysators 10 stark herab, und die Hauptmasse des Katalysators 10 sondert sich von den gasförmigen Reaktionsprodukten ab und fällt durch den Ringspalt zwischen dem Mantel 24 und dem in diesen hineinragenden Reaktor 9 in den Hohlkörper 1 herab. Des weiteren gelangt der Strom gasförmiger Reaktionsprodukte mit Resten des Katalysators 10 in den Behälter 23 des Abscheiders 6, dessen Durchmesser um das t>- bis 8fache den Durchmesser des Reaktors 9 übersteigt; daher sinkt die Strömungsgeschwindigkeit, und die Reste des Katalysators 10 fallen unter Wirkung der eigenen Schwere in den Hohlkörper 1 herab. Die vom Katalysator 10 getrennten Reaktionsprodukte werden über den Stutzen 30 des Behälters 23 des Abscheiders 6 aus der Reaktionseinrichtung abgeleitet und zur Trennung des angestrebten Produktes, d. h. des Äthylenoxyds, und des im Reaktor 9 nicht umgesetzten Äthylens befördert. Das nicht umgesetzte Äthylen wird in die Reaktionsvorrichtung für eine zusätzliche Oxydation zurückgeführt. Zu diesem Zweck öffnet man die Stutzen 32 im Hohlkörper 1, welche sich oberhalb der Katalysatorschicht 10 befinden, und führt das Äthylen in einer Mischung mit Heißluft bei einer Temperatur von 300⁰C dem Ringspalt zwischen der Wand 2 des Hohlkörpers 1 und dem Reaktor 9 zu. Das Äthylen-Luft-Gemisch steigt nach oben und begegnet auf seinem Weg dem Katalysator 10, welcher aus dem Abscheider 6 nach der Trennung von den gasförmigen Reaktionsprodukten herunterfällt. Dabei übersteigt die Fallgeschwindigkeit des Katalysators 10 um das 2fache die Geschwindigkeit des über die Stutzen 32 zugeführten Äthylen-Luft-Gemisches, welches mit dem Katalysator bei Temperaturen von 260 bis 280⁰C in Kontakt kommt. Diese Parameter sind die optimalen zur Durchführung der Oxydation des nicht umgesetzten Äthylens auf dem herabfallenden Katalysator 10. Die gewonnenen gasförmigen Reaktionsprodukte gelangen in den Behälter 23 des Abscheiders 6 und werden zusammen mit den Reaktionsprodukten, die Abscheider 6 aus dem Reaktor 9 zugeführt worden sind, über den Stutzen 30 aus der Reaktionsvorrichtung abgeleitet und zur Trennung weiterbefördert.

Dank der Möglichkeit, die Oxydation des im Reaktor 9 nicht umgesetzten Äthylens durchzuführen, kann die Ausbeute am angestrebten Produkt bedeutend gesteigert werden.

Der Betrieb der Reaktionsvorrichtung mit mehreren Reaktoren 9 weist prinzipiell keine Unterschiede vom Betrieb der Einrichtung mit einem Reaktor 9 auf.

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims

24 OO Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Durchführung der exothermen Dampfphasenoxydation von Kohlenwasserstoffen an einem aufwirbelbaren Katalysator mit vorgegebener Kornzusammensetzung, bestehend aus einem vertikalen Hohlkörper mit Stutzen zur Einführung der Reaktionskomponenten und zur Ableitung der Reaktionsprodukte, in welchem wenigstens ein an ι ο beiden Enden offenes Rohr als Reaktor und eine Vorrichtung zum Umlauf eines Kühlmittels im Hohlraum des Körpers untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß dann zwischen dem Hohlkörper (1), in dessen unterem Teil sich die Katalysatorschicht befindet, und dem Stutzen (14) zur Einführung der Reaktionskomponenten eine mit dem Körper (1) starr verbundene Mischkammer (5) angeordnet ist, in welche der Reaktor (9) hineinragt, und daß neben dessen Ausgangsöffnung (25) zwischen dem Hohlkörper (1) und dem Ableitungsstutzen (30) für die Reaktionsprodukte ein Abscheider (6) zur Trennung der Reaktionsprodukte vom Katalysator angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (5) einen Behälter (13) darstellt, in dessen Innerem ein zur Lenkung der Reaktionsmischung in den Reaktor (9) dienender Kegelstumpfmantel (16) mit einer öffnung gegenüber der Eingangsöffnung (15) des Reaktors (9) angeordnet ist, welcher Kegelstumpfmantel sich von oben nach unten in der Richtung auf diese Öffnung

(15) zu verjüngt, wobei die Größe des Winkels (λ) zwischen dem Kegelstumpfmantel (16) und der Innenfläche des Behälters (J3) und die Fläche der js öffnung im Mantel (16) in Abhängigkeit von der Leistung der Einrichtung und von der Korngröße des K;iIaIysators (10) dimensioniert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheider (6) einen Behälter (23) darstellt, dessen Durchmesser den Durchmesser des Reaktors (9) bedeutend übersteigt und der einen Stutzen (31) zur Beschickung des Hohlkörpers (1) der Reaktionseinrichtung mit dem Katalysator (10) und einen darin angeordneten Mantel (24) aufweist, der zur Richtungsumkehr des den Reaktor (9) verlassenden Stroms von Reaktionsprodukten und Katalysator (10) dient und in welchen der Reaktor

(9) mit seiner Ausgangsöffnung (25) teilweise derart hineinragt, daß zwischen der Innenfläche des Mantels (24) und dem Reaktor (9) ein Spalt zum Durchgang der Reaktionsprodukte und des Katalysators besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (9) an seinem oberen Teil Konsolen (17) besitzt, die sich auf an der Innenfläche des Hohlkörpers (1) befestigten Bunden (18) lose abstützen, auf deren Stützflächen Regeleinlagen (19) aufsetzbar sind.

5. Vorrichtung nacli Anspruch 1 bis 4, dadurch fm gekennzeichnet, daß im unteren Teil des Hohlkörpers (1) ein damit verbundener Ring (20) angeordnet ist, in welchen der Reaktor (9) lose hineinragt und welcher zum Zentrieren der Eingangsöffnung (15) des Reaktors (9) in bezug auf die öffnung im Mantel <>s

(16) der Misch kammer (5) dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) wenigstens einen oberhalb der Katalysatorschicht (10) angeordneten zusätzlichen Stutzen (32) trägt, der zur Einführung der von den Reaktionsprodukten getrennten, nicht umgesetzten Komponenten dient.