DE2634840C3

DE2634840C3 - Chemischer Freikolben-Verdichtungsreaktor

Info

Publication number: DE2634840C3
Application number: DE19762634840
Authority: DE
Inventors: Viktor Stepanovi&ccaron; Moskva &Scaron;ipachev
Original assignee: Institut Neftechimiceskogo Sinteza Imeni Av Topcieva Akademii Nauk Sssr Moskva Su
Current assignee: Institut Neftechimiceskogo Sinteza Imeni Av Topcieva Akademii Nauk Sssr Moskva Su
Priority date: 1975-08-04
Filing date: 1976-08-03
Publication date: 1982-03-11
Also published as: CA1082891A; DE2634840B2; GB1505030A; NL169035C; SU774020A1; NL169035B; NL7608681A; IT1065242B; DE2634840A1; FR2320136A1; CH612097A5; FR2320136B1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen chemischen Freikolben-Verdichtungsreaktor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Sie kann in Anlagen der chemischen Industrie zur Durchführung von chemischen Gasphase-Reaktionen w unter hohem Druck und bei hoher Temperatur angewandt werden, die sich in einem weiten Bereich ändern können, und zwar zur Durchführung schneller Gasphase-Reaktionen, die bei schneller Änderung von Temperatur und Druck intensiv ablaufen, wenn das Reaktionsgut die für diesen Druckzyklus maximalen Temperatur- und Druckwerte innerhalb einer Zeit von max. I ms erreicht.

Bekannt sind verschiedene Bauarten chemischer Verdichtungsreäktoren zur Durchführung von Reaktionen in Gasphase. Eine Sondergruppe bilden Frcikolben-Verdichtungsreaktoren. Diese Reaktoren stellen ein Gehäuse mit einer zyiinderförmigen Reaktionskammer dar, die stirnseitig geschlossen ist, in dem die Reaktionspartner durch einen Freikolben, d. h. einen <>5 Kolben ohne jegliche mechanische Verbindungen, verdichtet werden. Bekannt sind Reaktoren, in denen einige solcher Gehäuse vorhanden sind, sowie auch Reaktoren, in denen sich in einer Reaktionskammer mehrere Kolben befinden. Im letzteren Fall wird die Bewegung der Kolben durch gesonderte Einrichtungen auf Gleichlauf gebracht.

Zum Beispiel ist ein chemischer Freikolben-Verdichtungsreaktor der eingangs genannten Art bekannt (vgl. US-PS 78 14 551). Er enthält ein auf einem Sockel •befestigtes Gehäuse, das eine zylinderförmi_be Reaktionskammer mit einer horizontalen Längsachse besitzt. Innerhalb der Reaktionskammer ist ein doppeltwirkender Freikolben untergebracht, der aus zwei Teilen besteht, die durch einen Stab verbunden sind. Der Freikolben teilt die Reaktionskammer in zwei Arbeitsräume.

Jeder Arbeitsraum hat in den Stirnwänden eine öffnung für Ausgangsstoffzufuhr, die durch ein Tellerventil verschlossen wird. In der Stirnwand jedes Arbeitsraums gibt es außerdem eine zusätzliche öffnung, die ebenfalls von einem Tellerventil verschlossen wird. Diese zusätzliche öffnung dient zur Zufuhr von Hochdruckgas. Sämtliche Ventile werden mit Hilfe von Elektromagneten geöffnet, die durch Kontakte gesteuert werden, die durch den die zwei Kolbenteile verbindenden Stab angetrieben werden. Die Ventile sind mit Federn versehen, die auf die Ventile einwirken und sie schließen, wenn die Elektromagnete stromlos sind. Die Kontakte schalten Magnete ein, um entsprechende Ventile am Ende des Ausdehnungshubs im entsprechenden Arbeitsraum zu öffnen.

In jedem Arbeitsraum gibt es öffnungen zur Reaktionsprodukt-Ableitung. Diese öffnungen sind so angebracht, daß sie offen sind, wenn sich der Kolben in diesem Arbeitsraum am Ende des Ausdehnungshubs befindet. Zu dieser Zeit vollendet das andere Kolbenende im anderen Arbeitsraum den Verdichtungshub.

Bei Kolben-Hin- und -Herbewegung wird das in den Arbeitsraum eingeführte Gas bei Kolbenbewegung in einer Richtung verdichtet, und bei Kolbenbewegung in entgegengesetzter Richtung dehnt es sich aus. Im anderen Arbeitsraum erfolgen solche Prozesse gegenphasig. Während der Gasausdehnung geschieht das Durchblasen — durch Öffnungen für Reaktionspartnerzufuhr in den Stirnseiten der Reaktionskammer wird die nächste Charge vom Reaktionspartner und vom Hochdruckgas zugeführt und durch öffnungen in der Seitenwand der Reaktionskammer werden die Reaktionsprodukte entfernt.

Jedoch sind in allen bekannten chemischen Freikolben-Verdichtungsreaktoren die Reibungskräfte zwischen dem Kolben und den Wandungen der Reaktionskammer und folglich auch die Reibungsenergieverluste groß. Für einen chemischen Freikolben-Verdichtungsreaktor ist dieser Nachteil von grundsätzlicher Bedeutung. Aus der Schwingungstheorie is; es bekannt, daß die Energie, die durch ein Schwingungssystem, in diesem Fall durch den Kolben, gespeichert wurde, bei Resonanz-Aufschaukelung dem Verlustpegel im Schwingungssystem direkt proportional ist: je größer die Verluste, um so geringer die Energie des Systems, d. h. des Kolbens, um so geringer der Druck und die Temperatur der Verdichtung von Reaktionspartnern durch den Kolben im chemischen Verdichtungsreaktor, um so geringer auch der in ihm erreichte Umsetzungsgrad sowie auch die Produktleistung des Reaktors.

Außerdem sind in den bekannten Reaktoren keine Maßnahmen getroffen, um eine Vermischung des in den Reaktor kommenden Ausgangsstoffs und der Reaktionsprodukte, die die Reaktionskammer verlassen, zu

vermeiden. Deswegen verringert sich die Produktleistung des Apparats und verschlechtert sich die Selektivität des Prozesses, wenn das Produkt instabil ist (die Endprodukt-Selektivität wird hier als ein in Prozent ausgedrücktes Verhältnis der Ausbeute des Endprodukts der Reaktion, zur Summe der Einsatzmengen aller Reaktionsprodukte bestimmt). Das ist hauptsächlich dadurch bedingt, daß in den bekannten Reaktoren kein vollständiges Evakuieren der Reaktionsprodukte aus dem Reaktor gesichert ist, das man als Verhältnis ι ο zwischen der Menge der Reaktionsprodukte, die während eines Kolbenhubs nicht evakuiert wurden, und dem Volumen der Realitionspartner, die der Verdichtung unterworfen wurden, bestimmen kann. Das Evakuieren der Reaktionsprodukte aus dem Reaktor kann verbessert werden, wenn man den Spülgrad (d. h. das Veiiiältnis zwischen dem Volumen des Gases, das zwischen zwei Verdichtungen aus dem Reaktor austritt, und dem Arbeitsvolumen) vergrößert. Jedoch führt ein solches Vorgehen zum Verdünnen der mit dem Ausgangsstoff umgesetzten Gase, was eine,- Verringerung des Umsatzgrades des Ausgangsstoffs und folglich der Parameter sämtlicher darauffolgender technologischer Operationen, die auf Abscheidung des Endprodukts gerichtet sind. Außerdem ist der Umlauf des nicht umgesetzten Ausgangsstoffs vergrößert.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines chemischen Freikoiben-Verdichtungsreaktors, in dem das Evakuieren der Reaktionsprodukte aus den Arbeitsräumen des Reaktors bei minimalem Durchbruch nicht umgesetzter Reaktionspartner durch den Reaktor verbessert ist, um die Leistung des Reaktors und die Selektivität der in ihm ablaufenden Prozesse zu steigern.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Lehre nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Der relativ große Abstand zwischen den Eingangsund Ausga^gsöffnungen erhöht sowohl die Produktleistung des Reaktors als auch die Selektivität. ·*ο

Bei einem Abstand zwischen den Öffnungen für Reaktionspartnerzufuhr und den öffnungen zur Reaktionsproduktabfuhr gleich dem lOfachen Durchmesser der Arbeitskammer und bei zwölf Öffnungen für Reaktionspartneraifuhr erreicht iie Selektivität im erfindungsgemäßen Reaktor 70%. Auf diese Weise führt der erfindungsgemäße Verdichtungsreaktor völlig überraschend zur Vergrößerung der Selektivität der chemischen Umsetzung.

Die Vergrößerung des Abstandes zwischen den so beiden Arten von Öffnungen erfordert zwar eine größere Gesamtlänge des Gehäuses des chemischen Verdichtungsreaktors, was sich aber leicht bei vertikaler Lage der Reaktionskammerachse verwirklichen läßt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Lehre des Anspruchs 2 ermöglicht, die gesteuerten Ventile zu schließen, wenn sich in ihrer Nähe das Ausgangsgemisch und nicht die Reaktionsprodukte befinden. Dadurch werden die Produktleistung des bö Reaktors und die Selektivität des Verfahrens noch mehr erhöht.

Für die Lehre des Anspruchs 3 wurde experimentell nachgewiesen, d?G sie zusätzlich die Steigerung der Leistung des Reaktors und der Selektivität der in ihm ablaufenden Prozesse fordert.

Die Lehre des Anspruchs 4 ermöglicht bessere Ergebnisse von Leistung und Selektivität.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g, 1 einen erfindungsgemäßen chemischen Freikolben-Verdichtungsreaktor im Längsschnitt,

F i g. 2 einen Schnitt Π-ΙΙ der F i g. 1,

Fig.3 eine erfindungsgemäße Abwandlung der öffnungen für Reaktionspartnerzufuhr im Längsschnitt und

F i g. 4 einen Schnitt IV-IV der F i g. 3.

Der erfindungsgemäße chemische Verdichtungsreaktor enthält ein Gehäuse 1 (F i g. 1), das auf einpm Sockel 2 befestigt ist. Im Gehäuse 1 ist eine zylinderförmige Reaktionskammer 3 ausgeführt, deren Achse vertikal liegt Ein doppeltwirkender Freikolben 4 teilt die Reaktionskammer 3 in zwei Arbeitsräume einen oberen Arbeitsraum 5 und einen unteren Arbeitsraum 6, und kann eine vertikale Hin- und Herbewegung ausführen.

In den Stirnwänden der Reaktionskammer 3 sind symmetrisch zu ihrer Achse vier öffnungen 7 (F i g. 1,2) und vier Öffnungen 8 (Fig. 1) für iieaktionspartnerzufuhr in die Arbeitsräume 6 bzw. 5 ausgeführt Die öffnungen 7 sind mit Tellerventilen 9 verschlossen, die durch einen Elektromagnet 10 gesteuert werden, die Öffnungen 8 sind mit Tellerventilen 11 verschlossen, die von einem Elektromagnet 12 gesteuert werden.

Vorzugsweise sind die Ventile 9 und 11 der öffnungen 7 und 8 für Reaktionspartnerzufuhr normalerweise frei. An sich kann die Anzahl der öffnungen 7 und 8 beliebig sein, bevorzugt werden aber drei bis zwölf, und zwar symmetrisch zur Achse der Reaktionskammer 3, um den einführenden Reagenzstrahl gleichmäßig im gesamten Querschnitt der Reaktionskammer 3 verteilen zu können. Die Öffnungen für Reaktionspartnerzufuhr können auch als ein Ringschlitz 13 (Fig.3) ausgeführt werden, der konzentrisch zur Achse der Reaktionskammer 3 liegt.

Der Ringschlitz 13 wird von einem gesteuerten Ventil 14(F i g. 3,4) entsprechender Form verschlossen.

In der Seitenwand der Reaktionskammer 3 sind öffnungen 15 (Fig. 1) zur Reaktionsproduktabfuhr aus dem unteren Arbeitsraum 6 und Öffnungen 16 zur Reaktionsproduktabfuhr aus dem oberen Arbeitsraum 5 ausgeführt. Sämtliche Öffnungen 15 steheii mit einem Ringsammler 17 in Verbindung, dessin Ausgang mit einem Ventil 18 verschlossen wird, das mit einem Elektromagnet 19 gesteuert wird. Ähnlich stehen öffnungen 16 mit einem Sammler 20 in Verbindung, dessen Ausgang mit einem Ventil 21 verschlossen wird, das mit einem Elektromagnet 22 gesteuert wird.

Der Abstand >. 1« zwischen den Öffnungen 8 für Reaktionspartnerzufuhr in den Arbeitsraum 5 und den öffnungen 16 zur Reaktionsproduktabfuhr aus demselben Arbeitsraum 5 (sowie auch der Abstand zwischen den Öffnungen 7 und 15) beträgt drei Durchmesser »d« der Reaktionskammer 3, kann aber im Bereich von 2,5 d bis lOc/liegen.

Die öffnungen 15 und 16 zur Reaktionsproduktabfuhr brauchen gegebenenfalls nicht mit Ventilen verschlossen sein (nicht gezeigt). Jedoch muß in diesem Fall, um einen Durchbruch der nicht umgesetzten Reaktionsparlner auszuschließen, ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Länge des Kolbenhubs, der Kolbenlänge und dem Abstand zwischen den Öffnungen für Reakiionspartner7..i^fuhr und öffnungen zur Reaktionsproduktabfuhr eingehalten werden.

Zur Inbetriebnahme des chemischen Verdichtungsreaktors ist es notwendig, den Ventilen 9 und 11, die die Öffnungen 7 und 8 verschließen, gasförmige Reaktions-

partner unter einem Druck von 10-20 atm zuzuführen. Durch Steuerung der Ventile 9 läßt man eine Charge gasförmiger Reaktionspartner in den unteren Arbeitsraum 6 ein. Die Ventile 11 und 21 müssen dabei verschlossen und das Ventil 18 geöffnet sein. Unter der Einwirkung gasförmiger Reaktionspartner wird der Freikolben 4 nach oben gehoben, so daß er Gas 'm oberen Arbeitsraum 5 verdichtet. Im unteren Arbeitsraum 6 dehnt sich Gas aus und strömt teilweise durch die öffnungen 15 aus, so daß der Druck im unteren Arbeitsraum 6 geringer als der Druck im oberen Arbeitsraum 5 wird, der Freikolben 4 stehenbleibt und zu sinken beginnt. In diesem Zeitpunkt muß durch die öffnungen 8 in den oberen Arbeitsraum 5 eine Charge gasförmiger Reaktionspartner eingeführt werden, die bei ihrer Ausdehnung dem Freikolben 4 einen zusätzlichen Impuls verleihen. Die Ventile 18 und 9 müssen bei der Bewegung des Freikolbens 4 nach unten geschlossen, das Ventil 21 aber geöffnet sein. Während dieses Hubs verdichtet der Freikolben 4 Gas im unteren Arbeitsraum 6 und Gas gewinnt eine größere potentielle Energie als beim vorherigen Kolbenhub 4 im oberen Arbeitsraum 5.

Bei der Bewegung des Freikolbens 4 nach unten strömt ein Teil des Gases aus dem oberen Arbeitsraum 5 durch öffnungen 16 aus, da das Ventil 21 offen ist Auf diese Weise vergrößert sich nicht die Gasmenge in den Arbeitsräumen 5 und 6 von einem Kolbenhub 4 zum anderen, aber bei jedem Kolbenhub wird dem Freikolben 4 eine gewisse Energiemenge durch die Zufuhr der nächsten Charge gasförmiger Reaktionspartner zugeführt. Deswegen bewegt sich der Freikolben 4 in der Reaktionskammer 3 mit jedem Hub immer schneller und verdichtet somit die gasförmigen Reaktionspartner bis zu immer höherem Druck und Temperatur.

Die Geschwindigkeit und die Frequenz der Hin- und Herbewegung des Freikolbens 4 steigen so lange, bis die dem Freikolben 4 bei jedem Hub zugeführte Energie gleich den Energieverlusten wird.

Im stationären Zustand arbeitet der Reaktor wie folgt.

Aus dem unteren Totpunkt verschiebt sich der Freikolben 4 unter der Einwirkung der unter ihm verdichteten Reaktionspartner nach oben. Der Druck im unteren Arbeitsraum 6 sinkt dabei, und wenn er niedriger als der Druck in der zuführenden Leitung wird, öffnen sich die Ventile 9 unter der Einwirkung des Druckgefälles, und in den Reaktor kommt frischer Ausgangsstoff. Der Elektromagnet 10 verschließt die Ventile 9 in ca. 0,01 s nach dem Beginn der Ausgangsstoffzufuhr. Wenn die untere Stirnseite des sich hebenden Freikoibens 4 die öffnungen 15 erreicht hat oder etwas später, wird das Ventil 18 durch den Elektromagnet 19 geöffnet Von diesem Zeitpunkt an bis zur Rückkehr der unteren Stirnseite des Freikolbens 4 auf die Ebene der Öffnungen 15 strömt, falls das Ventil 18 nicht durch einen Steuerbefehl verschlossen wird. Gas aus dem unteren Arbeitsraum 6 aus. Im oberen Arbeitsraum 5 erfolgt in dieser Zeit die Verdichtung, so daß der Freikolben 4 unter der Einwirkung der im oberen Arbeitsraum 5 verdichteten Gase zurückkehrt. Bei seiner nächsten Bewegung nach unten erreicht der Freikoiben 4 den unteren Totpunkt, bei dem die

ίο Beschreibung seiner Bewegung einsetzt. Sämtliche Prozesse im oberen Arbeitsraum 5 sind den Prozessen im unteren Arbeitsraum 6 völlig ähnlich, verlaufen aber gegenphasig.

Die Entfernung zwischen den öffnungen 7 für

Reaktionspartnerzufuhr und den öffnungen 15 zum Evakuieren der Reaktionsprodukte (bzw. zwischen den öffnungen 8 und 16), die große Anzahl der öffnungen 7 und 8 für Reaktionspartnerzufuhr, die symmetrisch zur Achse der Reaktionskammer 3 liegen (bzw. einer oder zwei öffnungen als Ringschlitz 13, der in den F i g. 3, 4 dargestellt ist), das Vorhandensein der gesteuerten Ventile 18 und 21 (Fig. 1) sowie die vertikale Anordnung des Gehäuses I auf dem Sockel 2 vergrößern wesentlich die Produktleistung des Verdich tungsreaktors sowie die Selektivität des Prozesses, wie durch Experimente mit verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung gezeigt wurde.

Dabei wurde festgestellt, daß die Vergrößerung des Abstandes zwischen den öffnungen für Reaktionspart-

nerzufuhr und den öffnungen zur Entfernung der Reaktionsprodukte von 1,5 Durchmesser der Reaktionskammer 3 (wie für sich bekannt) auf 10 Durchmesser bei gleichzeitiger Vergrößerung der Anzahl der Zuführungsöffnungen von einer auf zwölf die Reaktionspro- dukt-Evakuieningsleistung um mehr als das zehnfache erhöht (beim Spülgrad Eins). Dies wird von einer entsprechenden Produktleistungssteigerung des Re^k tors begleitet

Genauso wurde am Beispiel der Reaktion der

Hydrodealkylierung von Xylolen in Gemisch mit Wasserstoff, in der Toluol ein Zwischenprodukt ist, festgestellt, daß die Selektivität, die im erfindungsgemäßen Reaktor erreicht wird, weitaus höher Hegt im Vergleich zu der Selektivität beim bekannten Reaktor.

Nimmt man als Maß der Selektivität /das Verhältnis

.K=(C₇H₈) χ 100%: [(C₇H₈) + (C₆H₆)I

wobei in Klammern jeweils die Volumenkonzentrationen stehen, so ist y im bekannten Reaktor mit nur einer so Öffnung für Reaktionspartnerzufuhr in jedem Arbeitsraum und mit einem Abstand zwischen der Öffnung für Reaktionspartnerzufuhr und der öffnung zur Reaktionsproduktabfuhr gieicfa dem 1 fachen Durchmesser der Arbeitskammer, höchstens 12% beim Spülgrad Eins.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

10 20 25 30 Patentansprüche:

1. Chemischer Freikolben-Verdichtungsreaktor, mit

— einem auf einem Sockel befestigten Gehäuse,

— einer zylinderförmigen Reaktionskammer mit doppeltwirkendem Freikolben, der die Reaktionskammer in zwei Arbeitsräume unterteilt,

— öffnungen für die Zufuhr der Reaktionspartner, die sich in den Stirnwänden der Reaktionskammer befinden und durch gesteuerte Ventile verschließbar sind, und

— öffnungen zur Ableitung der Reaktionsprodukte in ihrer Seitenwand,

dadurch gekennzeichnet, daß

— die Achse der Reaktionskammer (3) vertikal verläuft, und

— der Abstand (I) zwischen den öffnungen (7 bzw. 8) für die Zufuhr der Reaktionspartner in die Arbeitsräume (6, 5) und den öffnungen (16, 15) zum Ableiten der Reaktionsprodukte aus den Arbeitsräumen (6; 5)

— das 2,5— lOfache des Durchmessers (d) der Reaktionskammer (3) beträgt.

2. Verdichtungsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Öffnungen (15_r 16) zur Ableitung der Reaktionsprodukte mit gesteuerten Ventilen (18, 21) versehen sind.

3. Verdiciitungsreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

— daß in den Stirnwänden der Reaktionskammer (3) mehrere öffnungen (7,'") für die Zufuhr der Reaktionspartner symmetrisch zur Achse der Reaktionskammer (3) ausgeführt sind.

4. Verdichtungsreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

— daß die öffnungen für die Zufuhr der Reaktionspartner als Ringschlitze (13) konzentrisch zur Achse der Reaktionskammer (3) ausgeführt sind.