DE2420949B2 - Verfahren und Reaktor zur Herstellung von Äthylenoxid durch katalytische Oxidation von Äthylen - Google Patents
Verfahren und Reaktor zur Herstellung von Äthylenoxid durch katalytische Oxidation von ÄthylenInfo
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Description
4ri
Die Herstellung von Äthylenoxid aus einem Gasgemisch,
das Äthylen, Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff und Argon enthält, wird in der DE-OS 22 19 748
beschrieben. Man bedient sich dabei einer Reaktoreinheil in Form eines Reaktionsrohres. Die mit diesem
Verfahren erzielbaren Ausbeuten und Wirkungsgrade sind jedoch nicht befriedigend.
Bei bekannten Verfahren wird bei der Erzeugung von v>
Älhylenoxid ausgegangen von Äthylen und Sauerstoff, wobei die Herstellung durch Einrichtungen, wie sie
skizzenhaft in der F i g. 1 dargestellt sind, durchgeführt wird. Der Reaktionsvorgang läuft in dem Reaktor 1 ab,
der mit einem Bündel von Rohren versehen ist, wobei bo
der Katalysator in die Röhren gegeben wird; zum Zurückführen der Reaktionswärme zirkuliert in der
Reaktorhülle ein Fluid zum Wärmeaustausch; dieses Kluid wird in dem Wärmeauslauscher 2 gekühlt, in dem
Dampf erzeugt wird; die Pumpe 3 wird für die Zirkulation des Fluids verwendet. Die vorher beschriebenen
Einrichtungen werden dann benötigt, wenn das Kiuid für den Wärmeaustausch im flüssigen Zustand
gehalten wird; falls ein Verdampfungsfluid verwendet
wird, kann die Pumpe 3 entfallen, da eine Zirkulation aufgrund der Schwerkraft möglich ist Als Verdampfungsfluid
kann beispielsweise Wasser verwendet werden; in diesem Fall entfällt ebenfalls der Wärmeaustauscher
2 und Dampf wird direkt in der Hülle des Reaktors 1 erzeugt.
Das Gas, das den Reaktor verläßt, erwärmt das Gas,
mit dem derselbe Reaktor mit Hilfe eines Wärmeaustauschers 4 gespeist wird; anschließend wird es in die
Kolonne 5 geleitet, in der Äthylenoxid mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels 10 absorbiert wird, das im
allgemeinen, aber nicht notwendigerweise Wasser ist.
Nach Absorption des Oxids wird das Gas zur Reaktion zurückgegeben mit Hilfe des Kompressors 6.
Durch die Pfeile 7 und S ist das Einleiten von frischen
Reaktionsmitteln, d.h. Äthylen und das Zuleiten des Oxydationsmittels (Luft oder Sauerstoff) dargestellt
Um eine Anhäufung der inerten Gase zu vermeiden, die zusammen mit den Reaktionsmitteln eintreten, wird
eine geringe Gasmenge in Richtung des Pfeils 9 entlüftet; bei Anlagen, die mit Luft betrieben werden,
wird das in den Ausstoßgasen enthaltene Äthylen zu einer weiteren Anordnung geleitet, die der oben
beschriebenen entspricht; bei Anlagen, die mit Sauerstoff betrieben werden, wird in den Kreislauf ein Bereich
zur Kohlendkjxidabsorption eingefügt
Beide Wärmeaustauscher 2 und 4 stellen wichtige Teile des bekannten Verfahrens dar.
Tatsächlich ist die Erzeugung von Dampf in dem Wärmeaustauscher 2 ein nicht vernachlässigbarer
Bestandteil der Anlage im Hinblick auf dessen Wirtschaftlichkeit, da dieser in der Anlage selbst zur
Erzeugung ausgenützt werden kann, oder außerhalb der Zellgrenze gebracht werden kann; ebenfalls weist der
Wärmeaustauscher 4 eine grundlegende Funktion für die Rückgewinnung der Wärme, die zur Erwärmung des
Gases für die Speisung des Reaktors ausgenützt worden ist.
Das Anbringen des Wärmeaustauschers 4 hat jedoch zur Folge, daß die zu der Reaktion geleiteten
Reaktionsmittel während der ganzen Zeit bei einer hohen Temperatur gehalten sind, so daß sie entlang dem
Rohrabschnitt, der von dem Wärmeaustauscher zu dem Reaktoreinlaß führt, streichen.
Folglich muß der 02-Gehalt der Beschickungsmischung geringer sein als der Gehalt, der der
Brennbarkeitsgrenze bei dieser Temperatur entspricht, d. h. im allgemeinen zwischen 7 bis 8%.
Bei den bekannten Verfahrensweisen wird deshalb die Reaktionsmischung zu dem Reaktor mit der
höchstmöglichen Temperatur geleitet, nachdem diese durch einen geeigneten Wärmeaustauscher vorgewärmt
worden ist, wobei die Reaktionsmischung den Reaktor verläßt. Bei einer solchen Vorgehensweise ist
die Reaktion exotherm, so daß die Erzeugung des höchsten Betrages an Dampf durch die Ausnützung der
Reaktionswärme möglich ist.
Bei dieser Vorgehensweise, wie oben beschrieben, können nur geringe Sauersloffkonzentrationen in der
Mischung verwendet werden, die in den Reaktor eintritt, da sonst Explosionsgefahr besteht. Folglich ist
die Konzentration des gewünschten Sauerstoff enthaltenden Bestandteils in der Mischung, die aus dem
Reaktor austritt, gering und deshalb werden große Reaktoren benötigt, müssen große Gasströmungsgeschwindigkeiten
erzielt werden und muß komprimiert werden. Weiieriiiii isi die Anlage zur Rückgewinnung
des Sauerstoff enthaltenden Bestandteils ebenfalls teuer.
Die Konzentration des Sauerstoffs an dem Reaktoreinlaß
kann wesentlich gesteigert werden und folglich können alle vorher aufgezeigten Nachteile verringert
werden, wenn die Erwärmung der Mischung aus Äthylen und Sauerstoff mit hohen Konzentrationen
durch einen Wärmeaustauscher mit einem heißen Fluid in einer an die Reaktionszone angrenzenden Zone
stromaufwärts derselben durchgeführt wird, wobei diese Zone vorzugsweise die Form eines Bündels von
Rohren aufweist und in einigen Fällen mit einer Füllung versehen ist die reaktionsträge im Vergleich zu den
Reaktionsmitteln ist
Es wurde nun gefunden, daß bei der Herstellung von Äthylenoxid durch katalytische Oxidation von Äthylen
mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen in der Dampfphase die unmittelbare Nachbarschaft von
Reaktionszone und Vorerwärmungszone, sowie die Füllung der Vorerwärmungszone mit inerten Stoffen
verbesserte Ausbeuten sowie einen verbesserten Wirkungsgrad ergeben.
Die Erfindung betrifft daher das in Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren sowie den in Patentanspruch
2 gekennzeichneten Reaktor.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden im allgemeinen bei Raumtemperatur, Äthylen und Sauerstoff
oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas (Sauerstoff ist in der Äthylen-Sauerstoffmischung mit einer
Konzentration bis zu 20 Volumenprozent enthalten) zu
einer Zone geführt die die Form eines Bündels von Rohren aufweist die mit einem Material gefüllt ist
wobei die Mischung aus den zwei Gasen mit Hilfe eines Wärmeaustauschers auf eine erforderliche Temperatur
erhitzt wird (von 100 auf 3000C, teilweise von 180 auf
2200C), wobei die erhitzten Gase durch eine an die Erwärmungszonn angrenzende Zone geleitet werden
und wobei zuletzt die Reaktionsprodukte und die nicht reagierten Gase durch eine Kühlzone geleitet werden,
die an die Reaktionszone angrenzt oder nicht angrenzt, in der die Mischung auf eine Temperatur unter 1500C
gebracht wird.
Die Reaktionszone, die die Form eines Bündels von Rohren aufweist, ist in jedem Fall mit Katalysator
gefüllt, während die Kühlzone, die teilweise die Form eines Bündels von Rohren aufweist, eine Füllung aus
inertem Material enthalten kann oder nicht. Falls die Kühlzone nicht angrenzend an die Reaktionszone ist,
sondern im Gegensatz dazu getrennt von der Reaktionszone ist, ist die Füllung vorzugsweise nicht
vorhanden.
Die verschiedenen Zonen können Bereiche desselben Bündels von Rohren sein. Die inerten Materialien
können die Form von kleinen Zylindern aufweisen, von kleinen Kugeln, von Raschigringen, oder von jeder γ,
anderen Form, wobei der Leerraum in den verschiedenen Zonen vorzugsweise kleiner als 50% beiragen soll.
Falls die Kühl- und Heizzone die Form eines Bündels von Rohren aufweist, darf das Verhältnis zwischen der
maximalen Abmessung eines der Füllkörper und dem «i inneren Durchmesser der Rohre nicht größer als 0,40
sein, vorzugsweise sollte es zwischen ungefähr 0,30 und 0,06 sein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeich- hs
nung näher erläutert.
Fig. 2 zeigt ein einziges Rohr des Reaktors; die
Erhitzung uef Rcäkiiünsiliiiiei Oiföigi in uci'fi Bereich
12, die Reaktion läuft in dem Bereich 4 ab, und in dem Bereich 11 werden die Reaktionsprodukte gekühlt
Der Bereich 12 ist mit inertem Material gefüllt der Bereich 11 kann damit gefüllt sein, während der
Katalysator in dem Bereich 4 enthalten ist
Unter Bezugnahme auf Fig.3 ist gezeigt daß Äthylen 7 und Sauerstoff 8 durch 13 in das Bündel von
Rohren des Reaktors 1 geleitet werden, aber bevor sie reagieren, werden sie in der Zone 12 erhitzt und nach
der Reaktion in der Zone 11 mit Hilfe eines Fluids 18 gekühlt das zwischen den Zonen 11 und 12 mit Hilfe
einer Pumpe 10 zirkuliert
Die aus dem Reaktor durch 14 austretenden Gase werden zu der Kolonne 5 geleitet in der Äthylenoxid
mit Hilfe einer Flüssigkeit 15 absorbiert wird.
Die von der Flüssigkeit nicht absorbierten Gase verlassen die Kolonne 5 am Kopf derselben und werden
durch 9 teils abgeführt und durch 6 teils wieder der Zuleitung zugeführt
Die während der Reaktion entwickelte Wärme wird durch die Zirkulation eines Fluids 16 mit Hilfe einer
Pumpe zurückgeführt, so daß Dampf 17 in einem Verdampfer 2 erzeugt wird.
Das Rückführen der Reaktionswärme kann auf verschiedene Art und Weise entweder durch ein
Zirkulationsfluid oder durch eine Verdampfungsflüssigkeit außer Wasser erfolgen, oder kann auch durch
direktes Verdampfen von Wasser in der Reaktorhülle erfolgen.
Dadurch wird ein einfaches Steuern der Wärmeentwicklung und des Reaktionsabiaufs möglich.
In Fig. 5 wird eine abgewandelte Ausführungsform
der Vorrichtung, mit dem das Verfahren durchgeführt werden kann, gezeigt.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, das vorher beschrieben
worden ist.
Die Vorrichtung (F i g. 3) besteht aus einem Reaktor 1 mit einem Bündel von Rohren, in dem Rohre an ihren
beiden Enden mit zwei Platten 19 und 20 verbunden sind, an denen durch Anflanschen oder Schweißen die
Böden 21 und 22 angebracht sind. Die Rohre sind an einer genügenden Länge mit einem inerten festen
Material an ihren beiden Enden gefüllt und in dem inneren Abschnitt sind sie mit dem Katalysator gefüllt,
wobei der Katalysator und das inerte Material eine passende Form aufweisen, vorzugsweise die Form eines
kleinen Zylinders, einer kleinen Kugel oder eines Raschigrings.
Das Bündel von Rohren ist mit einer Hülle umgeben und ist an der Seite der Hülle durch 2 Umlenkbleche 23
und 24 in drei verschiedene Abschnitte 12, 4, 11 aufgeteilt, in denen entsprechend die Erwärmung der
Reaktionsmittel, die Reaktion und die Kühlung der Reaktionsprodukte durchgeführt wird. In dem rohrförmigen
Abschnitt U kann die Füllung fehlen.
Die Vorrichtung weist weiterhin einen Kreis 18 auf, in dem eine Flüssigkeit für den Er.värmungsabschnilt 12
und den Kühlungsabschnitt 11 zirkuliert.
Die Zirkulation wird durch die Pumpe 10 erzielt.
Ebenfalls ist ein Kühlkreis 16 des Abschnitts 4 des Reaktors vorgesehen; das in diesem Kreis zirkulierende
Fluid führt Wärme aus dem Reaktionsabschnitt. 4 zurück, und diese Wärme wird in dem Verdampfer 2 zur
Erzeugung von Dampf 17 verwendet.
Die Zirkulation in dem Kreis 16 wird durch eine l'umpe 3 erzielt.
Wie vorher schon beschrieben, kanu uic Fiiissifikcii in
dem Kreis 16 eine Verdampfungsflüssigkeit sein, und in diesem Fall entfallen die Pumpe 3 und der Verdampfer
2.
In F i g. 5 ist eine abgewandelte Ausführungsform der
Vorrichtung in F i g. 3 gezeigt, wobei der Wärmeaustauscher 11 außerhalb des Reaktors 1 angedeutet ist, so daß
möglicherweise keine Füllung mit einem inerten Material nötig ist.
Dieser Austauscher hat dieselbe Funktion wie der Kühlungsabschnitt 11 in der Vorrichtung von Fig.3. In
F i g. 4 ist skizzenhaft ein Rohr des Reaktors von F i g. 5 gezeigt, in dem der Abschnitt 12 den Abschnitt darstellt,
der mit inerten Materialien gefüllt ist, in dem die Gase
erhitzt werden, und der Abschnitt 4 stellt die Reaktionszone dar, die mit dem Katalysator gefüllt ist.
Im folgenden wird die Erfindung an einem Beispiel gezeigt.
Die Vorrichtung, wie sie beispielsweise in F i g. 3 gezeigt ist, wird zu verschiedenen Zeitpunkten mit 3
Mischungen beschickt. Die Zusammensetzung der Beschickungsmischung, die Reaktionsbedingungen und
die erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.
Beschickungsmischung
I. Mischung 2. Mischung
3. Mischung
Äthylen
Sauerstoff
Kohlendioxid
Stickstoff
Argon
20 Vol.-% 8 Vol.-% 10 Vol.-% 37 Vol.-% 25 Vol.-%
Reaktionstemperatur ( C) 235
Temperatur am Reaktoreinlaß ( C) 180
Abs. Druck am Reaktoreinlaß (bar) -20
Konzentration von Äthylenoxid 2,8%
am Reaktoraustritt (Vol.-%)
am Reaktoraustritt (Vol.-%)
Der verwendete Katalysator bestand aus Ag, Ca und Ba in einem Verhältnis von Ag/Ca/Ba von 15/2,5/1. Als
inertes Material wurde mit Silicaten gebundenes
| 22 Vol.-% | 22 Vol.-% |
| 15Vol.-% | l8Vol.-% |
| 10 Vol.-% | IOVol.-% |
| 32 Vol.-% | 30,2 Vol.-% |
| 21 Vol.-% | 19,8Vol.-% |
| 235 | 235 |
| 45 | 45 |
| -22 | -22 |
| 5,2% | 6,9% |
Aluminiumoxid in der Form von Sphären mit einem Durchmesser von 0,79 cm verwendet.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von Äthylenoxid durch katalytische Oxidation von Äthylen mit
Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen in der Dampfphase bei erhöhter Temperatur, wobei die
Ausgangsmischung vor Durchlaufen der Reaktionszone durch Wärmeaustausch in einer Erwärmungszone erhitzt und die Reaktionsmischung nach
Verlassen der Reaktionszone in einer Kühlzone abgekühlt wird und die abgeführte Wärme der
Erwärmungszone zum Aufheizen der Ausgangsstoffe zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Endtemperatur der Ausgangsmi- is
schung nach Durchlaufen der Er.värmungszoiis, die
mit einem inerten Material gefüllt ist, in einem Bereich von 100 bis 3000C liegt und die Reaktionsmischung nach dem Durchlaufen der Reaktionszone,
die an die Erwärmungszone ohne Trennung angrenzt, in einer gegebenenfalls mit einem inerten
Füllmaterial versehenen Kühlzone auf eine Temperatur unter 1500C gekühlt wird.
2. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, welcher ein Bündel von Rohren
und eine Hülle aufweist, wobei die Rohre an ihren beiden Enden mit zwei Platten verbunden sind, an
denen die Böden angebracht sind und der auch Wärmeaustausch- bzw. Kühlungskreise aufweist,
gekennzeichnet durch zwei Ablenkbleche an der Seite der Hülle, durch die der Reaktor in eine
Erwärmungs-, Reaktions- und eine Kühlzone aufgeteilt ist, durch einen Kühlungskreis des zwischen
Erwärmungs- und Kühlzone liegenden Reaktionsabschnitts und durch einen Kreis zur Erwärmung eines
der Endabschnitte zur Wärmemitführung während der Kühlung in dem anderen Endabschnitt, wobei
der dazwischenliegende röhrenförmige Reaktionsabschnitt mit Katalysator in einer passenden Form
gefüllt ist, während der rohrförmige Erwärmungsiibschnitt
mit inertem Material gefüllt ist und der rohrförmige Kühlungsabschnitt mit inertem Material
gefüllt sein kann.
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