DE2827934A1 - METHOD AND DEVICE FOR ISOTHERMAL CATALYTIC REACTION - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR ISOTHERMAL CATALYTIC REACTION

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DE2827934A1
DE2827934A1 DE19782827934 DE2827934A DE2827934A1 DE 2827934 A1 DE2827934 A1 DE 2827934A1 DE 19782827934 DE19782827934 DE 19782827934 DE 2827934 A DE2827934 A DE 2827934A DE 2827934 A1 DE2827934 A1 DE 2827934A1
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James Wei
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Description

I)K. IN«. T-". V/UKKTIH)KFI) K. IN". T- ". V / UKKTIH) KF I)K-K. ν. I'I«:II M Λ NNI) K-K. ν. I'I «: II M Λ NN J)H. ING. I). ISKIIKICA'HJ) H. ING. I). ISKIIKICA'H DlPl*. IKi:. H. (JC)KTZ DlPl *. IKi :. H. (JC) KTZ I1ATENTAX Ι/ΓΙ:I 1 ATENTAX Ι / ΓΙ: HlH)I) M fr i\ C U K λ' J)O HlH) I) M f r i \ CUK λ 'J) O

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1A-50 9941A-50 994

PatentanmeldungPatent application

Anmelder: MINNESOTA MINING AND MANUFACTURING COMPANY 3M Center, Saint Paul, Minnesota 55101, USAApplicant: MINNESOTA MINING AND MANUFACTURING COMPANY 3M Center, Saint Paul, Minnesota 55101, USA

Titel: Verfahren und Vorrichtung zur isothermen katalytisehen ReaktionTitle: Process and device for isothermal catalytic analysis reaction

809882/0933809882/0933

I)If. INC. F. WTICSTIIf) FK h'MM M O N C II IC .V ί)ΟI) If. INC. F. WTICSTIIf) FK h'MM M O NC II IC .V ί) Ο I)Il. K. ν. I1HC-IIM Λ Ν.V sc:ii .ν ki«m:h.ntii.vsni·: οI) Il. K. ν. I 1 HC-IIM Λ Ν.V sc: ii .ν ki «m: h.ntii.vsni ·: ο

DH. inc;, η. hkhhk.ws / ΤΒ1·Β1η" (os!" <i(i5iDH. inc ;, η. hkhhk.ws / ΤΒ1 · Β1η " (os! "< i (i5 i

Dii'i. i\c;. κ. (.-onTZ V ΤΒΙ·ΒΧ π8+οτο Dii'i. i \ c ;. κ. (.-onTZ V ΤΒΙ · ΒΧ π8 + οτο

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1·ΔΪΚΝϊΛ.νη-ΛΙ.ΤΒ1 · ΔΪΚΝϊΛ.νη-ΛΙ.ΤΒ

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Beschreibungdescription

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Reaktor für katalytische, im wesentlichen isothermische Reaktionen mit gleichzeitigem Wärmeaustausch.The invention relates to a method and a reactor for catalytic, essentially isothermal reactions with simultaneous heat exchange.

Es gibt eine große Anzahl von katalytischen Reaktionen, welche mit einer großen Menge an abgegebener oder benötigter Wärmeenergie verbunden sind. Von großer Bedeutung ist z.B. die Umsetzung von CO und Hp zu Methan und Wasser an einem Nickelkatalysator oder die Umsetzung von Np und Hp zu NH^ über einem Eisenkatalysator. Reaktionen, bei denen große Wärmemengen auftreten, sind relativ schwierig zu regeln. Ein Regelmangel kann zu hohen Temperaturen führen, die ihrerseits wieder zu einer Beschädigung des Reaktionsgefäßes, zur Bildung von unerwünschten Nebenprodukten, zur Zerstörung des Katalysators oder zur Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichts aus optimalen Bereichen führen köfi^S· Für optimale Prozeßführung soll eine Temperaturerhöhung vermieden werden und im wesentlichen gleichmäßige oder isotherme Temperatur aufrechterhalten bleiben oder es höchstens zu einem geringen Temperaturabfall kommen.There are a large number of catalytic reactions which are associated with a large amount of emitted or required thermal energy. Of great importance is e.g. the conversion of CO and Hp to methane and water in one Nickel catalyst or the conversion of Np and Hp to NH ^ over an iron catalyst. Reactions in which large amounts of heat occur are relatively difficult to control. A lack of regulation can lead to high temperatures, which in turn lead to damage to the reaction vessel Formation of unwanted by-products, to destroy the catalyst or to shift the thermodynamic Equilibrium from optimal areas result köfi ^ S · For optimal Process control should avoid a temperature increase and a substantially uniform or isothermal temperature are maintained or at most there is a slight drop in temperature.

Es gibt mindestens vier Maßnahmen, um Anlagen für extrem exotherme Reaktionen zu regeln, nämlichThere are at least four measures to avoid extremely exothermic plants To regulate reactions, namely

1) Verdünnung der Reaktionspartner mit einem inerten Medium,1) dilution of the reactants with an inert medium,

2) stufenweise Reaktion, wobei zwischen den Stufen gekühlt wird,2) stepwise reaction, with cooling between the steps,

809832/0933809832/0933

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3) Anwendung eines siedenden Wärraeaustauschermediums und3) Use of a boiling heat exchange medium and

4) zumindest teilweise Kühlung1* eier Reaktionspartner.4) at least partial cooling of 1 reaction partner.

Alle diese Maßnahmen besitzen Nachteile wie mehrfaches Rückleiten und Kompliziertheit der Anlage. Es wäre daher anstrebenswert, Reaktoren zu haben, bei denen hochexotherme Reaktionen unter im wesentlichen isothermen Bedingungen glatt ablaufen können. Aufgabe der Erfindung ist die Feststellung von Betriebsbedingungen für solche Reaktoren.All of these measures have disadvantages such as multiple recirculation and complexity of the system. It would therefore be desirable To have reactors in which highly exothermic reactions proceed smoothly under essentially isothermal conditions can. The object of the invention is to determine the operating conditions for such reactors.

Strömt ein zu kühlendes Material durch einen Reaktor, so wird im allgemeinen in der Praxis Gegenstrom von Reaktionsmasse und Kühlmittel als am wirksamsten ansehen. Es kann jedoch mathematisch gezeigt werden, daß es nicht möglich ist, durch Wärmeaustausch im Gegenstrom z.B. durch Kühlen im wesentlichen isotherme Bedingungen zu erreichen.If a material to be cooled flows through a reactor, then generally consider countercurrent flow of reaction mass and coolant to be most effective in practice. However, it can can be shown mathematically that it is not possible by countercurrent heat exchange, for example by cooling essentially to achieve isothermal conditions.

Es wurden bereits verschiedene Überlegungen hinsichtlich der Anwendung von Gleichstrom in Reaktoren angestellt, jedoch nicht im Hinblick auf die Notwendigkeit eines isothermen Betriebs.Various considerations have been made regarding the use of direct current in reactors, but not with regard to the need for isothermal operation.

Überraschenderweise konnte festgestellt werden, daß im wesentlichen isotherme Bedingungen bei Gleichstrom-Wärmeaustausch, z.B. Kühlen, erreicht werden k .nn und daß die Parameter für den Reaktor für eine heterogene oder homogene Reaktion mitSurprisingly, it was found that essentially isothermal conditions with direct current heat exchange, for example cooling, can be achieved and that the parameters for the reactor for a heterogeneous or homogeneous reaction with

ι - , j- j -i · -urichtune; von Reaktionsmassemit gleicher oder pseudogleicher Stromungs-γ Kühl- oder Heizmediums durch den Wärmeaustauscher ausgedrückt werden können durch die mathematische Beziehung für eine exotherme oder endotherme Reaktion:ι -, j- j -i · -urichtune; of reaction mass with same or pseudo-equal flow γ cooling or heating medium Through the heat exchanger can be expressed by the mathematical relationship for an exothermic or an endothermic Reaction:

(th-tc) ucrcscJH (1.1} (t h -t c ) u c r c s c J H (1. 1}

Darin bedeuten:Therein mean:

8 09882/09338 09882/0933

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T„ Eintrittstemperatur der Reaktionspartner in C Tn Eintrittsteniperatur des Kühlmittels in CT "inlet temperature of the reactants in C T n inlet temperature of the coolant in C

3,8279343.827934

Reaktionswärme in cal./gMol
C0 Anfangskonzentration der Reaktionspartner in gMol/cm U„ Wärmeübergangskoeffizient an der Reaktionsseite in
Heat of reaction in cal./gMol
C 0 initial concentration of the reactants in g mol / cm U "heat transfer coefficient on the reaction side in

cal
s.cm^grd.
cal
s.cm ^ grd.

Uc Wärmeübergangskoeffizient an der Kühlseite inU c heat transfer coefficient on the cooling side in

s.cm .grd Ttt Durchsatz an der Reaktionsseite in ss.cm .grd Ttt throughput on the reaction side in s

γη Durchsatz an der Kühlmittelseite in s γ η throughput on the coolant side in s

Sn Wärmeübertragungsfläche an der Reaktionsseite,einS n heat transfer surface on the reaction side

2 Sn Wärmeübertragungsfläche an der Kühlseite, cm2 S n Heat transfer area on the cooling side, cm

>i„ freies Volumen an der Reaktionsseite ausschließlich des feinen Katalysators in cmJ > i "free volume on the reaction side excluding the fine catalyst in cm J

O- freies Volumen an der Kühlseite in cm u calO- free volume on the cooling side in cm u cal

9 nC n Dichte χ Wärmekapazität des Kühlgases in 9 n C n density χ heat capacity of the cooling gas in

Dies gilt bei einer chemischen Reaktion über einem Katalysator unter solchen Bedingungen, daß die Wärmefreisetzung im wesentlichen in einer direkten Beziehung zu der Konzentration der Reaktionspartner steht und diese Beziehung eine Funktion von IL, und dem Verhältnis ΐρ/ΐττ ^sThis applies to a chemical reaction over a catalyst under such conditions that the heat release is essentially in a direct relationship to the concentration of the reactants and this relationship is a function of IL, and the ratio ΐρ / ΐττ ^ s ^ ·

Unter "Durchsatz" versteht man die Zeit, die das Gas braucht, um die Räume zu durchströmen ohne feinkörniger Substanzen wie Katalysatorpellets. Die Wärmeaustauschfläche an jeder Seite wird definiert als die Flächen, die den Strömungen gemeinsam sind an den entsprechenden Seiten, und die Flächen, die sich zwischen den gemeinsamen Flächen erstrecken wie Unebenheiten. "Throughput" is the time it takes for the gas to to flow through the rooms without fine-grained substances such as Catalyst pellets. The heat exchange area on each side is defined as the areas common to the currents are on the respective sides, and the surfaces that extend between the common surfaces like bumps.

Es ist offensichtlich, daß diese Beziehungen eine ganze Gruppe von Reaktoren umfassen, aus der eine bestimmte Auswahl zu tref fen ist durch Festsetzung bestimmter Werte für eine bestimmte Reaktion, wie Eintrittstemperaturen, Konzentrationen oder dgl.It is obvious that these relationships are a whole group of reactors from which a certain selection can be made by fixing certain values for a certain Reaction, such as inlet temperatures, concentrations or the like.

809882/0933809882/0933

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■τ■ τ

ise die Reak-ise the reaction

Die Festlegung der Reaktion bestimmt normalerweise tionswärme und üblicherweise ebenfalls die Dichte und die Wärmekapazität bzw. den Wärmeinhalt. Die restlichen Faktoren werden durch den Umfang der Reaktion und Konstruktionsdetails beeinflußt. Es wurde festgestellt, daß die spezifischen Bedingungen in zufriedenstellender Weise erfüllt werden durch Reaktoren, die eine Aufeinanderfolge von Kreuzstrom-Reaktoren oder-Wärmeaustauschern sind, von denen jeder Durchgänge für Reaktionsmittel und Kühlmittel im rechten Winkel zueinander und durch wärmeaustauschende Materialien voneinander getrennt aufweisen. Bevorzugt ist jeder Kreuzstrom-Reaktor einer Einheit oder monolithisch,die für sehr hohe Temperaturen oder korrosive Materialien vorzugsweise aus Keramik besteht. Die exakten Abmessungen und Variationen bei solchen Kreuzstrom-Reaktoren ergeben sich aus den Forderungen der obigen mathematischen Beziehung und lassen sich leicht durch übliche Methoden der Verfahrenstechnik errechnen. Etwas überraschend wurde jedoch festgestellt, daß nur ein relativ enger Bereich von bestimmten Parametern in der Lage ist|isotherme Bedingungen einer Reaktion aufrechtzuerhalten. Dieser Bereich der Parameter läßt sich vergleichen mit den "Fenstern" für die Berechnung eines Flugs in den Weltraum und läßt sich in ähnlicher Weise ermitteln.The definition of the reaction normally determines the heat of the reaction and usually also the density and the heat capacity or the heat content. The remaining factors are influenced by the level of response and design details. It has been found that the specific conditions are met in a satisfactory manner by reactors, a series of cross-flow reactors or heat exchangers are each of which have passages for reactant and coolant at right angles to each other and through have heat exchanging materials separated from one another. Preferably, each cross-flow reactor is unitary or monolithic, the for very high temperatures or corrosive materials, preferably made of ceramic. The exact dimensions and variations in such cross-flow reactors result from the requirements of the above mathematical relationship and can easily be calculated using the usual methods of process engineering. Somewhat surprisingly, however, it was found that only a relatively narrow range of certain parameters is able to maintain isothermal conditions of a reaction. This range of parameters can be compared with the "windows" for calculating a flight into space and can be determined in a similar way.

Der Teil eines Reaktors, in dem die Reaktion stattfindet, wird auch manchmal als Reaktionszone bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, daß verschiedene Konfigurationen erfindungsgemäß möglich sind, jedoch werden Kreuzstrom-Reaktoren besonders bevorzugt .The part of a reactor in which the reaction takes place is also sometimes referred to as the reaction zone. It should be noted that that various configurations are possible according to the invention, however, cross-flow reactors are particularly preferred .

Beispiele für Reaktionen, die entweder erster Ordnung sind oder als erster Ordnung angesehen werden können und welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der dafür vorgesehenen Vorrich-.tung durchgeführt werden können, sind folgende:Examples of reactions that are either first order or can be considered first order and which are after the Method according to the invention in the device provided for this purpose can be carried out are the following:

Exotherme ReaktionenExothermic reactions

1. Methanisierung, d.h. CO + 3H2-*CH4 + H2O.1. Methanation, ie CO + 3H 2 - * CH4 + H 2 O.

- 5 809882/0933 - 5 809882/0933

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2. Oxidation, 2 CH0-CH0 + O0 ^ 2 CH0-CH0.2nd oxidation, 2 CH 0 -CH 0 + O 0 ^ 2 CH 0 -CH 0 .

2 2 2 \2/ 2 2 2 2 \ 2/2

0 3- Herstellung von Kohlenwasserstoffen aus Methanol.0 3- Production of hydrocarbons from methanol.

4. Oxidation von Naphthalin zu Phthalsäureanhydrid.4. Oxidation of naphthalene to phthalic anhydride.

5. Chlorierung von Kohlenwasserstoffen.5. Chlorination of hydrocarbons.

6. Abspaltung von Schwefelwasserstoff, z.B. aus Thiophen( durch Umsetzung mit H2 unter Bildung von Butadien + HpS.6. Elimination of hydrogen sulfide, for example from thiophene ( by reaction with H 2 to form butadiene + HpS.

7. Herstellung von Methanol, d.h. CO + 2H2 » CH^OH.7. Production of methanol, ie CO + 2H 2 »CH ^ OH.

Endotherme ReaktionenEndothermic reactions

1O Dehydrierende Cyclisierung, z.B. n-Heptan zu Toluol. 2. Katalytisches Cracken von Erdöl oder Erdölprodukten.1 O dehydrogenative cyclization, eg n-heptane to toluene. 2. Catalytic cracking of petroleum or petroleum products.

Die Erfindung wird nun an beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert. The invention will now be further explained using the accompanying drawings.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Kreuzstrom-Wärmeaustauscher von etwa 7 cm mit Katalysator imprägnierten Pellets von etwa 2 mm Durchmesser und 3 mm Höhe in einer Gruppe der Durchgänge .Fig. 1 shows schematically a cross-flow heat exchanger of about 7 cm with catalyst impregnated pellets of about 2 mm in diameter and 3 mm in height in one group of the passages .

Fig. 2 zeigt eine Anordnung von 4 Wärmeaustauschern der Fig.1 in einem Gehäuse, um einen Pseudogleichstrom-Reaktor nach der Erfindung zu bilden.FIG. 2 shows an arrangement of 4 heat exchangers from FIG in a housing to form a pseudocurrent reactor according to the invention.

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm die Folge der Berechnungen, wie sie zur Ermittlung der Parameter des erfindungsgemäßen Reaktors dienen kann.3 shows in a diagram the sequence of the calculations as they are used to determine the parameters of the reactor according to the invention can serve.

Fig. 4 zeigt schematisch einen kleinen Reaktor mit zugeordneter Regelung und Versorgung, welcher im Rahmen des Beispiels 2 näher erläutert wird.4 shows schematically a small reactor with associated control and supply, which in the context of example 2 is explained in more detail.

Fig. 5 bis 10 zeigen verschiedene Isothermen und Umsetzungen bei bestimmten Reaktionstemperaturen.FIGS. 5 to 10 show various isotherms and conversions at certain reaction temperatures.

809882/0933 " 6 "809882/0933 " 6 "

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28278342827834

Fig.11 ist ein Diagramm, aus welchem die Temperaturbedingungen innerhalb des erfindungsgemäßen Reaktors bei Pseudogleichstrom hervorgehen.Fig.11 is a diagram from which the temperature conditions emerge within the reactor according to the invention with pseudocurrent.

Fig. 12 zeigt schematisch eine Anlage zur Methanolsynthese aus CO + Hp mit einein Wärme austauscher stapel in dem Reaktor.Fig. 12 shows schematically a plant for methanol synthesis from CO + Hp with a heat exchanger stack in the reactor.

Fig. 13 ist ein Diagramm,aus dem die Katalysatorbelastung in einer Vorrichtung nach Fig. 12 verglichen ist mit einer üblichen isothermen Reaktion.13 is a diagram from which the catalyst loading in a device according to FIG. 12 is compared with a conventional one isothermal reaction.

Der in Fig. 1 gezeigte Kr^uzstrom-Warmeaustauscher eignet sich für das erfindungsgemäße Verfahren, wenn mehrere davon in Serie angewandt werden, so daß ein Pseudogleichstrom vorliegt. Aus dieser schematischen Darstellung entnimmt man vier Gruppen von Durchgängen 10 und 12,verbunden mit und getrennt durch ebene Bleche 14 und sinusförmig gekrümmte Bleche 16 und 18 und an den Seiten abgeschlossen durch die Bleche 20 und 22. Die Durchgänge 10 und 12 haben nicht gleiche Höhe.Hinsichtlich der Höhe kann pan nach Wunsch Variationen vornehmen. Die Durchgänge 12 sind mit Pellets 30 gefüllt, welche mit Katalysator imprägniert sind, wobei einige fehlen, um die inneren Teile der Durchgänge zu zeigen. Für die weitere Beschreibung derartiger Strukturen ist es zweckmäßigjzwei Achsen zu bezeichnen für jedes Segment, welches ein Wellblech zwischen zwei ebenen Blechen enthält. Diese Achsen werden als q in Richtung der Wellen des Wellbleches und als χ im rechten Winkel dazu bezeichnet. Die Strömungsrichtung folgt den Wellen des Wellbleches. Die Ecken 34 sind mit keramischem Material gefüllt, welches die seitlichen Durchgänge in jeder Richtung blockiert.The Kr ^ uzstrom heat exchanger shown in Fig. 1 is suitable for the method according to the invention, if several of them in series can be applied so that a pseudo direct current is present. From this schematic representation one can see four groups of Passages 10 and 12 connected to and separated by level Sheets 14 and sinusoidally curved sheets 16 and 18 and closed on the sides by sheets 20 and 22. The passages 10 and 12 are not the same height. In terms of height pan can make variations as desired. Passages 12 are filled with pellets 30 which are impregnated with catalyst, some missing, around the inner parts of the passageways to show. For the further description of such structures it is useful to designate two axes for each segment, which contains a corrugated sheet between two flat sheets. These axes are called q in the direction of the corrugations of the corrugated sheet and denoted as χ at right angles to it. The direction of flow follows the waves of the corrugated sheet. The corners 34 are filled with ceramic material, which the lateral Passages blocked in any direction.

In Fig. 2 sind nun vier Wärmeaustauscher 40 aus Fig. 1 innerhalb des Gehäuses 42 in Reihe angeordnet mit Zuführungen 44 für Reaktionspartner und 46 für Kühlmittel-und Abführungen 50 für Reaktionsmasse und 52 Kühlmittel. Details der Isolierung und der Abdichtung der Wärmeaustauscher sind nicht gezeigt«In FIG. 2, four heat exchangers 40 from FIG. 1 are now arranged in series within the housing 42 with feed lines 44 for reactants and 46 for coolant and discharges 50 for reaction mass and 52 for coolant. Details of the insulation and sealing of the heat exchangers are not shown «

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809882/0933809882/0933

1A-50 9941A-50 994

Die Montage erfolgt mit Ansätzen oder Auflagen 54 innerhalb des Gehäuses oder mit einem Dichtungsmittel zwischen Innen- und Außenseite der Wärmeaustauscher und an Punkten, an denen die Wärmeaustauscher an das Gehäuse 42 anstoßen. Die Wege der Reaktionsmasse sind in ausgezogenen Linien und die des Kühlmittel in unterbrochenen Linien angedeutet. Die Stirnseiten des Gehäuses werden mit Hilfe der Bolzen 56 zusammengehalten. Der Katalysator innerhalb der Durchgänge der Wärmeaustauscher 40 wird durch die Netze 58 aus zweckmäßigerweise korrosionsbeständigem Stahl gehalten.The assembly is carried out with lugs or supports 54 within the housing or with a sealant between the inner and exterior of the heat exchangers and at points where the heat exchangers abut the housing 42. the Paths of the reaction mass are indicated in solid lines and those of the coolant in broken lines. the The end faces of the housing are held together with the aid of the bolts 56. The catalyst within the passages of the Heat exchanger 40 is held in place by nets 58, which are advantageously made of corrosion-resistant steel.

Fig. 3 zeigt nun ein Fließschema für eine Methode der Berechnung der Abmaße der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 2 für eine bestimmte Gasreaktion. Man sieht, daß verschiedene Kästchen mit Nummern versehen sind. In der folgenden Beschreibung sind die mathematischen Operationen oder die Überlegungen für jedes Kästchen einigermaßen detailliert angegeben. Die Operationen können durch beliebige Maßnahmen wie mit normalen Computern"fur numerischen Berechnungen, mit Rechenschiebern oder entsprechende Computerprogramme durchgeführt werden. Die Auswahl einer bestimmten Methode für ein angestrebtes Ziel kann in üblicher Weise geschehen. Auch gibt es andere Sequenzen von Operationen, die zu den gleichen oder ähnlichen Resultaten führen.FIG. 3 now shows a flow chart for a method of calculating the dimensions of the device according to the invention according to FIG. 2 for a specific gas reaction. You can see that different boxes are numbered. In the following description the math operations or reasoning for each box is reasonably detailed. the Operations can be done by any measure as with normal computers "for numerical calculations, with slide rules or appropriate computer programs are carried out. The selection of a particular method for a desired goal can be done in the usual way. There are also other sequences of operations that produce the same or similar results to lead.

Für die folgenden Berechnungen werden einige vereinfachende Annahmen gemacht, um unnötige Komplikationen zu vermeiden. So wird angenommen, daß weder Reaktionspartner noch Reaktionsprodukte entlang des Strömungsweges vor- oder rückwärts diffundieren und keine Wärmeleitung entlang des Strömungsweges, d.h. achsial stattfindet. Weiters wird angenommen, daß der einzige Widerstand gegen radiale Wärmeübertragung an den Wänden stattfindet. Schließlich wird angenommen, daß keine Wärmeübertragung durch Strahlung in irgendeiner Richtung innerhalb des Reaktors vorkommt. Es wird angenommen, daß die Front von Reaktionsmasse oder Kühlmittel sich mit der gleichen Geschwindigkeit über den ganzen Querschnitt bewegt ("plug flow")·Some simplifying assumptions are made for the following calculations in order to avoid unnecessary complications. It is assumed that neither reactants nor reaction products are forward or backward along the flow path diffuse and no heat conduction takes place along the flow path, i.e. axially. It is also assumed that the only one Resistance to radial heat transfer takes place on the walls. Finally, it is believed that there is no heat transfer occurs by radiation in any direction within the reactor. It is believed that the front of the reaction mass or coolant moves at the same speed over the entire cross-section ("plug flow") ·

809882/0933809882/0933

2827S342827S34

Die wichtigste Annahme ist jedoch, daß Gleichstrom vorliegt, was im allgemeinen gilt, wenn zwei oder mehrere Kreuzstrom-Reaktoren in Reihe angeordnet sind«, Im Falle von Kreuzstrom-Einheiten bedeutet das, daß die Umsetzung nicht abrupt in der ersten Einheit erfolgen soll, sondern nur zum Teil in jeder Kreuzstrom-Einheit«, Eine solche Annahme mag wohl im ersten Ansehen unwesentlich erscheinen, aber - wenn übermäßige Reaktion in einem Teil des Kreuzstrom-Reaktors stattfindet es kann zum Teile eine Abweichung von der isothermen Reaktion eintreten, welche ihrerseits wieder zu einer Desaktivierung des Katalysators oder zu urerwünsclrten Nebenreaktionen in einem Teil des Reaktors und zu einer allgemeinen Verschlechterung der Leistung oder überhaupt Störung führen kann.The most important assumption, however, is that there is co-current flow, which is generally true when two or more cross-flow reactors are used are arranged in series «, In the case of cross-flow units, this means that the implementation is not abrupt in of the first unit, but only partially in each cross-flow unit At first glance it may seem insignificant, but if excessive reaction takes place in any part of the cross-flow reactor In some cases, a deviation from the isothermal reaction can occur, which in turn leads to deactivation of the catalyst or excessive side reactions in part of the reactor and can lead to a general deterioration in performance or malfunction at all.

Die Kästchen 120, 130, 140 und 150 fordern die Spezifizierung der Eingabewerte, kinetischen Parameter, Eigenschaften der Gase (Reaktionspartner, Reaktionsprodukte, Kühlmittel) und gewisser vorbestimmter physikalischer Abmessungen des Reaktorinneren«, Für die folgende Behandlung werden die benötigten Mengen wie folgt angegeben:Boxes 120, 130, 140 and 150 request specification the input values, kinetic parameters, properties of the gases (reactants, reaction products, coolants) and certain predetermined physical dimensions of the interior of the reactor. For the following treatment, the required Quantities indicated as follows:

Für Kästchen 120 bestimme:For box 120 determine:

C = Anfangskonzentration der Reaktionspartner (g-Mol/cnr Gesamteinsatz), bestimmt auf der Basis der nötigen Verdünnung, um örtliche Überhitzungen, Explosionen oder dergleichen zu vermeiden.C = initial concentration of the reactants (g-mol / cnr Total use), determined on the basis of the required dilution, to avoid local overheating, explosions or the like to avoid.

C = Endkonzentration der Reaktionspartner (Dimension wie C0)C = final concentration of the reactants (dimension as C 0 )

z = 1 - -TT- Umsetzungsverhältnis (als Bruch) gewählt im Hinblick auf die Kosten für Reaktionspartner und Produkt, die Schwierigkeit der Trennung und dgl. und im Hinblick auf die gewählte Temperatur in V (Kästchen 16O),z = 1 - -TT- conversion ratio (as a fraction) selected in terms of reactant and product cost, difficulty of separation, and the like. And with regard to the selected temperature in V (box 16O),

8G9882/09338G9882 / 0933

_ 2827834_ 2827834

F = Speisegeschwindigkeit der Reaktionsmasse in kg.Mol/d an der Katalysatorseite, bestimmt durch die Verfahrensbedingungen; F = feed rate of the reaction mass in kg.mol / d on the catalyst side, determined by the process conditions;

Mrr = mittleres Molekulargewicht der Gase an der Reaktionsseite (in dalton, d.h. g/g-Mol); Mrr = mean molecular weight of the gases on the reaction side (in daltons, i.e. g / g-mol);

-AH molare Reaktionswärme in cal/g-Mol. Diese ist charakteristisch für die Reaktion und der Ziffernwert ist positiv für eine exotherme Reaktion, auch wenn dieser Begriff negativ ist. Die Wärmeverluste werden geschätzt als Teil der Reaktionswärme und verringern diese Z0B0 um ein Drittel. Die Wärmeverluste sind in größeren Reaktoren im allgemeinen geringer.-AH molar heat of reaction in cal / g-mol. This is characteristic of the reaction and the numerical value is positive for an exothermic reaction, even if this term is negative. The heat losses are estimated as part of the heat of reaction and reduce this Z 0 B 0 by a third. The heat losses are generally lower in larger reactors.

Für Kästchen 130 bestimme die kinetischen und katalytischen Parameter:For box 130 determine the kinetic and catalytic parameters:

Vj. Dichte des Katalysators (g/cnr), experimentell bestimmt am festen Katalysator; Previous year Density of the catalyst (g / cnr), determined experimentally on the solid catalyst;

£ freier Raum des Katalysatorbetts (dimensionslos), berechnet aus der Schüttdichte und dem spezifischen Gewicht des Katalysators 9- ·£ free space of the catalyst bed (dimensionless), calculated from the bulk density and the specific weight of the catalyst 9- ·

k^ prä-exponentieller Faktor aus der Arrheniusgleichung (rate) für das Reaktionssystem und den angewandten Katalysator (s );k ^ pre-exponential factor from the Arrhenius equation (rate) for the reaction system and the applied catalyst (s);

D Durchmesser der Katalysatorpellets, für die Kugelform angenommen wird, aufgrund statistischer Bestimmungen an einer Probe (cm);D diameter of the catalyst pellets, for the spherical shape is assumed on the basis of statistical determinations on a sample (cm);

809882/0933809882/0933

28272342827234

E/R Aktivierungsenergie gebrochen durch die Gaskonstante, bestimmt aus der Geschwindigkeitsgleichung als Neigung der Kurve ln(k) (Reaktionsgeschwindigkeits-Konstante) gegen die reziproke absolute Temperatur (0K)E / R activation energy broken down by the gas constant, determined from the rate equation as the slope of the curve ln (k) (reaction rate constant) against the reciprocal absolute temperature ( 0 K)

Für Kästchen 140 bestimme die Gaseigenschaften:For box 140 determine the gas properties:

C TT Wärmeinhalt des gasförmigen Reaktionsgemishes an der ptlC TT heat content of the gaseous reaction mixture at the ptl

Katalysatorseite unter der Annahme konstanter Temperatur und durchschnittlicher Zusammensetzung in cal/g.grdCatalyst side assuming constant temperature and average composition in cal / g.grd

C ρ Wärmeinhalt des Kühlgases unter der Annahme durchschnittlicher Temperatur in cal/g.grdC ρ heat content of the cooling gas assuming average Temperature in cal / g

λ. Gasviskosität, Mittel aus Reaktionsgasen und Kühlgasen,λ. Gas viscosity, means of reaction gases and cooling gases,

K Wärmeleitfähigkeit von Gas, Mittel aus Reaktions- und Kühlgasen,K thermal conductivity of gas, agent from reaction and cooling gases,

cal grd
s * cm2 * cm
cal grd
s * cm 2 * cm

Mn Molekulargewicht des Kühlgases in dalton <? ti Dichte der Reaktionsgase in g/cnr 9 n Dichte des Kühlgases in g/cm .M n molecular weight of the cooling gas in daltons <? ti density of the reaction gases in g / cm 9 n density of the cooling gas in g / cm.

- 10 -- 10 -

8098 8 2/09338098 8 2/0933

-■»._ 2827824- ■ »._ 2827824

Für Kästchen 150 müssen einige Kennwerte der Wärmeaustauscher oder Reaktoren ohne Katalysator spezifiziert werden,, Die Reaktoren sind Kreuzstrom-Wärmeaustauscher, in denen bei der Anwendung eine Gruppe der Durchgänge mit Pellets, imprägniert mit Katalysator, gefüllt isto Die Berechnung der Wärmeaustauschfläche variiert etwas mit der Geometrie der Durchgängeo Folgendes gilt für Durchgänge, die gebildet werden von zwei ebenen Platten getrennt durch ein Wellblech, ein Pulver oder dergleichen, jedoch ohne Katalysatorfüllung. Dies dient zur Erläuterung, ist jedoch nicht begrenzend. Die geometrischen Begriffe, die direkt meßbar oder berechenbar sind, werden im folgenden aufgeführt. Die angegebenen Längen oder Abstände werden in cm aufgeführt, die Indices C bzw. H beziehen sich jeweils auf die Kühlmittelseite bzw. die Reaktionsseite (heiße Seite) im Sinne des folgenden Beipiels 1.For box 150, some characteristics of the heat exchangers or reactors without a catalyst must be specified, The reactors are cross-flow heat exchangers in which, in use, a group of passages is filled with pellets impregnated with catalyst o The calculation of the heat exchange area varies somewhat with the Geometry of the passages o The following applies to passages that are formed by two flat plates separated by a corrugated sheet, a powder or the like, but without a catalyst filling. This is illustrative but not limiting. The geometric terms that can be directly measured or calculated are listed below. The specified lengths or distances are listed in cm, the indices C and H respectively relate to the coolant side and the reaction side (hot side) in the sense of the following example 1.

ψ Verhältnis der Höhe der Austauscherblöcke zu dem Abstand über den Strömungswegψ Ratio of the height of the exchanger blocks to the distance via the flow path

J Länge einer Sinuswelle
λ Wellenlänge über die a-Achse
a = Amplitude = 1/2 Höhe der Erhebungen
J length of a sine wave
λ wavelength over the a-axis
a = amplitude = 1/2 height of the elevations

f Überlapp ungsfaktor = Bruchteil der Sinuslänge, die an ebenenf Overlap factor = fraction of the sine length of the plane

Flächen gebunden ist.
2j Höhe zwischen zwei ebenen Flächen 0 Dicke des Wellblechs in cm
c Dicke der ebenen Platten in cm
Surfaces is bound.
2j Height between two flat surfaces 0 Thickness of the corrugated sheet in cm
c Thickness of the flat panels in cm

Kr Wärmeleitfähigkeit des Reaktorwerkstoffs einschließlich der ebenen Bleche, Wellbleche und ErhebungenK r Thermal conductivity of the reactor material including the flat sheets, corrugated sheets and elevations

J berechnet sich aus der Beziehung:J is calculated from the relationship:

J = I j/ 1 + (ab cos bqj dq (lV-1)J = I j / 1 + (from cos bqj dq (lV-1)

- 11 - - 11 -

809882/0933809882/0933

28279-U28279-U

gegebenenfalls unter Verwendung eines Computer-Programms, wobei q der Abstand entlang der q-Achse ist, wie oben im Rahmen der Fig. 1 definiert. Bestimmte Funktionen der obigen Begriffe werden üblicherweise durch Computer-Programme zugänglich.optionally using a computer program, where q is the distance along the q-axis, as in above The framework of FIG. 1 is defined. Certain functions of the above terms are commonly performed by computer programs accessible.

Die Wärmeübertragungsfläche S für die Einheitsfläche (xoq) der Durchgänge(einschließlich der gemeinsamen Oberfläche für Reaktions- und Kühlseite)errechnet sich als Summe der beiden Sinusflächen + der Fläche der ebenen Bleche abzüglich des Überlappungsfaktors "f".The heat transfer area S for the unit area (x o q) of the passages (including the common surface for the reaction and cooling side) is calculated as the sum of the two sinusoidal areas + the area of the flat sheets minus the overlap factor "f".

S =ψ + Z- ^ψ- = (1-f) ^ +2S = ψ + Z- ^ ψ- = (1-f) ^ +2

Die Wärmeübertragungsfläche an der Reaktionsseite StT undThe heat transfer surface on the reaction side St T and

an der Kühlseite Sp werden berechnet auf die Einheitsfläche der gemeinsamen Fläche von Reaktions- und Kühlseite unter Anwendung der entsprechenden Werte für J, λ und fo on the cooling side Sp are calculated on the unit area of the common area of the reaction and cooling side using the corresponding values for J, λ and f o

Das Raumvolumen je Einheitslänge und -breite (x . q) ist der Bereich der Höhe zwischen den flachen Blechen, d.h.The volume of space per unit length and width (x. Q) is the range of height between the flat sheets, i.e.

Das offene Einheitsvolumen "ν " ist das Gesamtvolumen abzüglich des Volumens des keramischen Wellkörpers:The open unit volume "ν" is the total volume minus the volume of the ceramic corrugated body:

V = 2d- -Y (IV-3)V = 2d- -Y (IV-3)

Dies errechnet sich für die Kühlseite \) ~ und für die Reaktionsseite \? „♦This is calculated for the cooling side \) ~ and for the reaction side \? "♦

n.n.

- 12 -- 12 -

8098B2/03338098B2 / 0333

Die Relation der Wärmeübertragungsfläche zum leeren Volumen S/u wird berechnet in cm" für die Reaktions- und die Kühlseite«, The relation of the heat transfer area to the empty volume S / u is calculated in cm "for the reaction and cooling side",

Es wurde festgestellt, daß der hydraulische Durchmesser der Durchgänge D, (in cm) sich ergibt aus dem AusdruckIt was found that the hydraulic diameter of the passages D, (in cm) is given by the expression

Der Teil des offenen Bereichs, das ist der Teil der Flache der Einheitslänge des Durchgangs für die Strömung "G", umfaßt eine Blindreihe und eine offene Reihe und wird errechnet nachThe part of the open area is the part of the flat the unit length of the passage for flow "G", includes a blind row and an open row, and is calculated after

Γ -Γ -

2 j+2 j2 j + 2 j

Dies wird berechnet für Gtt und Gp mit den entsprechenden Werten im Zähler This is calculated for Gtt and Gp with the corresponding values in the counter "

Der Teil des gesamten Wärmeübertragungsbereichs ,Ω aufgrund der Fläche des Sinuskörpers ergibt sich nach der GleichungThe part of the total heat transfer area, Ω due to the area of the sine body results from the equation

I () 1-f , c, η = Λ = (iv-6)I () 1-f, c, η = Λ = (iv-6)

(-l_f)M +2 1-f+ j^(-l_f) M +2 1- f + j ^

Das Verhältnis der Wärmeübergangsflächen an der Reaktionsseite zu der an der Kühlseite ist The ratio of the heat transfer areas on the reaction side to that on the cooling side is

3E 3 E.

- 13 809882/0 933- 13 809882/0 933

und das Verhältnis der Volumina an der Reaktionsseite zudem an der Kühlseite istand the ratio of the volumes on the reaction side, too the cooling side is

Die isotherme Temperatur T^ (0C), bei der die Reaktion durchgeführt werden soll, wird in Übereinstimmung mit Kästchen 16O ausgewählt aufgrund der bekannten oder experimentell bestimmten Daten des Katalysatorsystems„ Diese TemperaturThe isothermal temperature T ^ ( 0 C) at which the reaction is to be carried out is selected in accordance with box 160 on the basis of known or experimentally determined data of the catalyst system “This temperature

beeinflussen wird sehr stark den Umsetzungsgrad uz"/o Imwill have a very strong influence on the degree of conversion u z "/ o Im

allgemeinen wird die höchste Temperatur gewählt, bei derin general, the highest temperature is chosen at which

a) der Katalysator noch nicht sintert,a) the catalyst has not yet sintered,

b) der Katalysator nicht schnell vergiftet wird,b) the catalyst is not poisoned quickly,

d) unerwünschte Seitenreaktionen nicht eintreten,d) unwanted side reactions do not occur,

e) die Reaktion nicht so schnell verläuft, daß es zu einer Beschädigung des Reaktors kommt.e) the reaction does not proceed so quickly that it leads to a Damage to the reactor is coming.

Für Kästchen 170 wird der Durchsatz auf der Reaktionsseite ^jT berechnet für eine Reaktions erster Ordnung oder eine Re aktion, die als erster Ordnung simuliert werden kann,mit Hilfe der BeziehungFor box 170, the reaction side throughput ^ jT is calculated for a first order reaction or a Re action that can be simulated as the first order with Help the relationship

§-=exp(-p) (VI-1)§- = exp (-p) (VI-1)

worin Γ die katalytische Aktivitätwherein Γ is the catalytic activity

ist, so daß die obige Gleichung folgende Form erhält:so that the above equation takes the form:

- 14- 14

80 98 82/033380 98 82/0333

τ ^CL. - Xr T p-srn ί - — I (VT ^Iτ ^ CL. - Xr T p-srn ί - - I ( VT ^ I

-±n„ - K03 L exp - pm ^v±-j;- ± n "- K 03 L exp - pm ^ v ± -j;

- η - V RTH - η - V RT H

aus der alle Werte mit Ausnahme T TT "bekannt sind.from which all values with the exception of T TT "are known.

titi

Der Durchsatz wird in s angegebeneThe throughput is given in s

Für Kästchen 180 wird die gesamte benötigte Katalysator menge ¥ in kg durch folgende Beziehung ermittelt:For box 180, the total amount of catalyst required ¥ in kg is determined by the following relationship:

zo z o

wobei F die Strömungsgeschwindigkeit der Reaktionsmasse an der Katalysatorseite ist und bestimmt wird aus der Jahresleistung in kg, ζ die Umsetzung wie unter I definiert ist,' z„ ist ein Ziffernwert von O und ζ der zum Schluß erreichte Umsetzungsgradj r ist die Reaktionsgeschwindigkeit e ntsprechend der Funktionwhere F is the flow rate of the reaction mass on the catalyst side and is determined from the Annual output in kg, ζ the implementation is as defined under I, 'z "is a numerical value of O and ζ the for The final degree of conversion j r is the rate of reaction According to the function

r = k=*, exp f- ~|- \ .C (VII-2)r = k = *, exp f- ~ | - \ .C (VII-2)

für Reaktionen erster Ordnung.for first-order reactions.

Das gesamte Volumen, welches von dem gesamten benötigten Katalysator eingenommen wird, wenn die Durchgänge an der -Reaktionsseite nach obigen Bedingungen gefüllt sind, ist V und ergibt sich nach Kästchen 190 aus der BeziehungThe total volume which is taken up by the total required catalyst when the passages on the reaction side are filled according to the above conditions is V and results from box 190 from the relationship

- 15 809882/0933 - 15 809882/0933

in'in'

worin f> >- als spezifisches Gewicht des Katalysators definiert und W wie unter VII berechnet wird.where f>> - is defined as the specific weight of the catalyst and W is calculated as under VII.

Die Anzahl der Übertragungseinheiten an der Kühlseite N^ errechnet sich für Kästchen 200 aus der BeziehungThe number of transfer units on the cooling side N ^ is calculated for box 200 from the relationship

Die Anzahl der Übertragungseinheiten N ist ein dimensionsloser Ausdruck für die "Kühl- bzw. Heizgröße11 eines Wärmeaustauschers ο Wenn N klein ist, dann ist die Austauscherwirksamkeit gering und wenn N groß ist, so nähert sich die Wirksamkeit asymptotisch dem Grenzwert, der sich aus der Strömungsweise und den thermodynamischen Gegebenheiten ergibt (Kays and London, Compact Heat Exchangers, 2nd ed (1964), Seiten 15-16).The number of transfer units N is a dimensionless expression for the "cooling or heating quantity 11 of a heat exchanger ο If N is small, then the exchanger efficiency is low and if N is large, the efficiency asymptotically approaches the limit value that is derived from the Flow mode and the thermodynamic conditions results (Kays and London, Compact Heat Exchangers, 2nd ed (1964), pages 15-16).

Für das Kästchen 210 wird die Eintrittstemperatur des Kühlgases Tp in 0C angenommen. Diese bestimmt die Triebkraft des Wärmeübergangs von der Reaktionsseite auf die Kühlseite. Einige Faktoren, die besonders wichtig erscheinen, sind die folgenden:
Ao Umgebungstemperatur;
For the box 210, the inlet temperature of the cooling gas Tp is assumed to be in 0 C. This determines the driving force of the heat transfer from the reaction side to the cooling side. Some factors that seem particularly important are the following:
Ao ambient temperature;

Bo Temperatur von verfügbarem Gasstrom;Bo temperature of available gas flow;

solche
Co eine/Temperatur, daß - wenn die Reaktionsgase zuerst
such
Co a / temperature that - when the reaction gases first

,, , ., Ί ., nach Verlassen ,der . angewandt werden als Kuhlgase - diese / iCuhlseite bei der entsprechenden Temperatur für den Eintritt an die Reaktionsseite haben. ,,, ., Ί., After leaving, the. are used as cooling gases - have this / iCuhlseite at the appropriate temperature for entry to the reaction side.

Für Kästchen 220 wird der Wert für Γ aus folgender Beziehung ermittelt:For box 220, the value for Γ is determined from the following relationship:

809882/0933809882/0933

- 16 -- 16 -

-~T6*- ~ T6 *

r=k.,tr = k., t

.,tHexp (-., t H exp (-

Alle Begriffe sind aus obigem bekannt, z„Be VI«, Der Wert ist dimensionlos οAll terms are known from the above, eg "B e VI", the value is dimensionless ο

Für Kästchen 230 wird die Anzahl der Übertragungseinheiten an der Katalysatorseite NfI berechnet ausFor box 230, the number of transfer units on the catalyst side N fI is calculated from

worin I sich nach XI und nachwhere I after XI and after

Q =Q =

(-AH)C0 (-AH) C 0

ergibt, wobei alle Begriffe bekannt sind.results, whereby all terms are known.

Für Kästchen 240 wird der Gesamt-Wärmeübertragungskoeffizient an der Katalysatorseite in cal/sogrd, UVr, berechnet nachFor box 240, the total heat transfer coefficient on the catalyst side in cal / s o degrees, UVr, is calculated from

u = (%)(fH)(cpH)(vH) (xin-1)u = (%) (f H ) (c pH ) (v H ) (xin-1)

■Π· τ* Q /■ Π τ * Q /

uHbH u H b H

von dem alle Begriffe aus obigem bekannt sind, z.B. das Verhältnis Stt/Vtj aus IV.
rl π.
of which all terms from the above are known, e.g. the ratio Stt / Vtj from IV.
rl π.

Für Kästchen 250 wird das Verhältnis der Anzahl der Überträgungseinheiten an der Katalysatorseite zur Anzahl der Übertragungseinheiten an der Kühlseite Y aus Y = i ermittelt. D;j.ese Tatsache wird herangezogen zur Berechnung des Verhältnisses der Gasgeschwindigkeit (cm/s) an der Kühlseite zu der an der Katalysatorseite νί o For box 250, the ratio of the number of transfer units on the catalytic converter side to the number of transfer units on the cooling side Y is determined from Y = i. This fact is used to calculate the ratio of the gas velocity (cm / s) on the cooling side to that on the catalyst side νί o

809882/0933809882/0933

(XIV-1)(XIV-1)

Aus dieser Beziehung sind alle Begriffe mit Ausnahme von nL" bekannt,,From this relationship all terms except for nL "known ,,

Aus den Beziehungen von I bis XIV ergibt sich, daß die Relation zwischen der Geschwindigkeit der Wärmeentwicklung und der Konzentration der Reaktionspartner kR eine Funktion ist von Hn und dem Verhältnis C ist.From the relationships from I to XIV it follows that the relation between the rate of heat development and the concentration of the reactants k R is a function of H n and the ratio C is.

υ . ■ ^~ υ. ■ ^ ~

H-Dies ergibt eine Wärmebilanz für ein VolumendifferentialH-This gives a heat balance for a volume differential

dv„ nach folgender Gleichung, worin Q1. die Geschwindigkeit ti - 'L ^n dv "according to the following equation, where Q 1 . the speed ti - 'L ^ n

der Wärmeentwicklung über den gesamten Strömungsweg,cal/sthe heat development over the entire flow path, cal / s

und C die Konzentration im Volumen dv>TT ist. X riand C is the concentration in volume dv> TT . X ri

kRduH (XIV-2)k R du H (XIV-2)

Wird diese Gleichung integriert, so ergibt sichIf this equation is integrated, the result is

QL■"= (-AH)kR/0 HCxdi>H. (XIV-3)Q L ■ "= (-AH) k R / 0 H C x di> H. (XIV-3)

kp ist eine Proportionalitätskonstante, d.he eine Reaktionsgeschwindigkeitskonstante, die unter Verwendung obiger Begriffe folgende Abhängigkeit zeigt:kp is a constant of proportionality, i.e. e is a reaction rate constant which, using the above terms, shows the following dependency:

kD = k<x,exp(- =S-) , (XIV-4)k D = k <x, exp (- = S-), (XIV-4)

- H- H

wobei -ΔΗ ein Kennwert der Reaktion ist. Selbstverständlich besteht eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung und der Konzentration \md der Reaktionspartner im Volumen dv^, und zwar aufgrund der Äquivalenz von J\U und Γ.where -ΔΗ is a characteristic of the reaction. Of course, there is a relationship between the rate of heat release and the concentration \ md of the reactants in the volume dv ^, due to the equivalence of J \ U and Γ.

- 18 €09-882/0933 - 18 € 09-882 / 0933

= Nc (xiv-5) = N c (xiv-5)

pCTC ü pCTC ü

( ) (XIV-6) ( ) (XIV-6)

JCpCVC J CpC V C

Die Werte für/^C ν hängen ab von der Art des Kühl-The values for / ^ C ν depend on the type of cooling

'CTpC C'CTpC C

mediums und der Geometrie der Anlage und können insofern als konstant angesehen werdenfals die Reaktionspartner derart gewählt sind, daß kD eine Eunkton von Un und C ist«,medium and the geometry of the system and can be considered to be constant insofar f are selected as the reaction partner such that k D n a Eunkton of U and C is "

1S 1 p

Für Kästchen 260 ist die Länge des Strömungsweges an der Kühlseite X für einen Reaktor entsprechend ΐψ. Der Wert von X wird aufgrund des Umfangs der Umsetzung ausgewählt oderFor box 260, the length of the flow path on the cooling side X for a reactor is corresponding to ΐψ. The value of X is selected based on the scope of the implementation or

angewendet
handelsübliche Anlagen·« Es ist besonders zweckmäßig, eine Vielzahl von würfelförmigen oder kubischen Reaktoren anzuwenden,, Es ist jedoch auch möglich, Reaktoren heranzuziehen, in denen der Strömungsweg an der Kühlseite = X und an der Reaktionsseite j·X. und der Reaktor = ψΧ senkrecht zu den Strömungsrichtungen,, Im Rahmen dieser Beschreibung wird angenommen, daß der Katalysator auf Pellets niedergeschlagen istβ Er kann jedoch auch an den Wänden niedergeschlagen
applied
commercial systems · «It is particularly useful to use a large number of cube-shaped or cubic reactors, but it is also possible to use reactors in which the flow path on the cooling side = X and on the reaction side j · X. and the reactor = ψΧ perpendicular to the directions of flow ,, For the purposes of this description it is assumed that the catalyst is deposited on pellets, but it can also be deposited on the walls

QAJ. 37 C tiQAJ. 37 C ti

sein oder beides. Man kann aber auch in den Kühlmittelfgängen Pellets ohne Katalysator vorsehen.his or both. But you can also use the coolant ducts Provide pellets without a catalyst.

Für Kästchen 270 wird die Strömungsgeschwindigkeit an jeder Seite berechnet, die notwendig ist, um den Gesamt-Wärmeübertragungskoeffizient Utt, berechnet nach XIII, zu ergeben. Die Berechnung geht schrittweise vonstatten, indem die Wärmeübertragungskoeffizienten an den Kühl- und Reaktions-For box 270, calculate the flow rate on each side necessary to obtain the total heat transfer coefficient Utt, calculated according to XIII, to result. The calculation is done step by step by adding the heat transfer coefficients to the cooling and reaction

S-Q 9 8 8 2/ 0933S-Q 9 8 8 2/0933

- 19 -- 19 -

Seiten "berechnet und in üblicher Weise kombiniert werden. Die Geschwindigkeit an der Kühlseite Yn wird angenommen und liegt in der Praxis z.B„ bei 80 cm/se Sides "are calculated and combined in the usual way. The speed on the cooling side Y n is assumed and in practice is, for example," at 80 cm / s e

Der mittlere Filmkoeffizient für laminare Strömung anThe mean film coefficient for laminar flow

der Kühlseite h„ in cal/socm ogrd ergibt sich aus folgender Beziehungthe cooling side h "in cal / s o cm o deg results from the following relationship

Ta.,Ta.,

3,65Kn /■ (1+0,078—RPj J J ,v C = DH /3.65K n / ■ (1 + 0.078-RPj J J , v C = D H /

(XVI-1)(XVI-1)

Kn ist die Wärmeleitfähigkeit des Kühlgases in K n is the thermal conductivity of the cooling gas in

cal 2 . grd
s.cm cm
cal 2 . grd
s.cm cm

Dp. ist der hydraulische Durchmesser,Dp. is the hydraulic diameter,

R. die Reynold'sche Zahl für eine angenommene Geschwindigkeit; Pr die Prandtl'sche Zahl des Mittels; X die Länge des Strömungsweges an der Kühlseite von einem Reaktor;R. Reynold's number for an assumed speed; P r is the Prandtl number of the mean; X is the length of the flow path on the cooling side of a reactor;

3,65 ist als Nusselt'sche Zahl für vollständig entwickelte laminare Strömung in den wirksamen Durchgängen handelsüblicher Keramikkörper nach Fige 1 angepaßte Der Durchschnittswert wird eingesetzt, da sich die laminare Strömung nicht einstelltfbevor das Kühlgas durch einen Teil der Durchgänge geströmt ist.3.65 is the Nusselt number for fully developed laminar flow in the effective passages of commercially available ceramic body according to Figure e 1 matched the average value is used as the laminar flow does not stop f before the cooling gas is passed through a part of the passages.

ist
Dies/als "Endeffekt" bekannt. Mit Hilfe eines Computerp&rogramms, ZoBo mit der Simpsonschen Regel, kann obige Gleichung integriert werden.
is
This is known as the "bottom line". With the help of a computer program, ZoBo with Simpson's rule, the above equation can be integrated.

B. Der Fünkoeffizient an der Reaktionsseite gefüllt mit Katalysatorpellets errechnet sich ausB. The five coefficient on the reaction side is filled with Catalyst pellets is calculated from

Κπ D Vpf» 0,75Κ π D Vpf »0.75

„ = 0,125—( ? (XVI-2)"= 0.125— ( ? (XVI-2)

Dp μΗDp μ Η

809882/0933 - 20 -809882/0933 - 20 -

wobei der Klamme rausdruck die Reynoldjsche Zahl für eine Strömung ist, in der D der Teilchendurchmesser ist. Der obige Ausdruck ist anwendbar für ü zwischen etwa 0,2-bis 0,8-fachem hydraulischem Durchmesser der Durchgänge (siehe Berechnung in IV).
Κ,, ist die Wärmeleitfähigkeit der Gase an der Reaktions-
where the bracket term is the Reynolds number for a flow, in which D is the particle diameter. The above expression can be used for ü between about 0.2 to 0.8 times the hydraulic diameter of the passages (see calculation in IV).
Κ ,, is the thermal conductivity of the gases at the reaction

seite in cal ^ · ^rd
s.cm cm
page in cal ^ · ^ rd
s.cm cm

g>„ ist die Gasdichte an der Reaktionsseite, u,, ist die Gasviskosität an der Reaktionsseite, V^ ist die lineare Gasgeschwindigkeit an der Reaktionsceite, bezogen auf die Durchgänge ohne feinteiligem Material nach dem Ausdruck g>" is the gas density on the reaction side, u" is the gas viscosity on the reaction side, V ^ is the linear gas velocity at the reaction side, based on the passages without finely divided material according to the expression

aus XIV.from XIV.

C. Um die beiden Filmkoeffizienten aus A und B zu kombinieren, ist es notwendig, ctie gesamte Oberflächentemperatur-Wirksamkeit der ebenen Übertragungsflächen an der Kühl- und Reaktions seitc zu ermitteln wegen einer Verringerung der Wirksamkeit durch die sinusförmigen Erhebungen.C. To combine the two film coefficients from A and B, it is necessary to ctie total surface temperature effectiveness to determine the flat transfer surfaces on the cooling and reaction side because of a reduction in effectiveness through the sinusoidal elevations.

Der Wert m ergibt sich nach:The value m results from:

für
worin h der Filmkoeffizient die entsprechenden Seiten zu A oder B bedeutet, K1 die Wärmeleitfähigkeit dos Werkstoffs der Erhöhungen und θ deren Dicke ist.
for
where h is the film coefficient on the corresponding sides of A or B, K 1 is the thermal conductivity of the material of the elevations and θ is their thickness.

Wenn 2 j der Abstand zwischen den ebenen Blechen oder Teilen ist, also die Amplitude der Erhebungen, ergibt sich die Wirksamkeit der sich erhebenden Flächen, η.ν, aus der BeziehungIf 2 j is the distance between the flat sheets or parts, i.e. the amplitude of the elevations, the effectiveness of the rising surfaces, η, results. ν , from the relationship

- 21 809882/0933 - 21 809882/0933

Dieser Ausdruck wird benötigt für die Berechnung der Gesamtwirksamkeit der B'lächen * an den entsprechenden Seiten, nämlich r^ für die Kühlmittelseite und r\, für die ReaktionsThis expression is required for the calculation of the total effectiveness of the surfaces * on the corresponding sides, namely r ^ for the coolant side and r \, for the reaction

Hc = 1 - (1} (xvi-6)Hc = 1 - (1 ~ ν } (xvi-6)

S ist die gesamte wärmeaustauschende B'läche an einer Seite, also Sp an der Kühlseite und S„ an der Reaktionsseite ,· entsprechend IV und Sp ist die Gesamtfläche der Erhebungen an der zu berechnenden Seite.S is the entire heat exchanging surface on one side, thus Sp on the cooling side and S "on the reaction side, · correspondingly IV and Sp is the total area of the elevations on the side to be calculated.

D. Nun können die beiden Filmkoeffizienten aus A und. B kombiniert v/er den, wobei IL, der Gesamt-Wärmeaustauschkoefflzient, bezogen auf die Reaktionsseite unter Berücksichtigung der B'läche der Erhebungen, ist und sich aus der BeziehungD. Now the two film coefficients from A and. B combined v / er den, where IL, the total heat exchange coefficient, based on the reaction side, taking into account the area of the surveys, and is out of the relationship

.J- = -4-■+ &— +" (xvi-7) .J- = -4- ■ + & - + "(xvi-7)

ergibt. Sw ist der Bereich der gemeinsamen Fläche der Strömungen von Reaktionsmedium und Kühlmittel. Dieser Ausdruck läßt sich vereinfachen, da der Mittelausdruck, betreffend den Y/ärmeübergang durch die Wände l relativ sehr gering ist, da die Wände dünn sind und damit vernachlässigt werden kann. Daraus ergibt sichresults. S w is the area of the common area of the flows of reaction medium and coolant. This expression can be simplified because the mean expression relating to the Y / arm transition through the walls 1 is relatively very small, since the walls are thin and can therefore be neglected. This results in

„L = —jL-+ 1 ■ (XVI-8)"L = —jL- + 1 ■ (XVI-8)

rl in. π On rl in. π O n

- 22 -- 22 -

809882/0933809882/0933

In dieser Gleichung sind alle V/erte, mit Ausnahme von UH, berechnet oder bekannt.In this equation, all values, with the exception of U H , are calculated or known.

υ,,, v.'ie oben berechnet, kann nun mit dem in XIII berechneten Wert verglichen werden. Stellt man eine Abweichung von mehr als 0,1 % fest, so sollte man Änderungen in den angenommenen Geschwindigkeiten für eine bessere Übereinstimmung vornehmen, z. B. indem die Geschwindigkeiten nach Kästchen 280 erhöht v/erden.υ ,,, v.'ie calculated above can now be compared with the value calculated in XIII. If you find a deviation of more than 0.1 % , you should make changes in the assumed speeds for a better match, e.g. B. by increasing the speeds according to box 280.

Für Kästchen 290 ist nun. die Reaktorlänge L auf der Basis obiger Parameter zu berechnen ausFor box 290 is now. to calculate the reactor length L on the basis of the above parameters

L = TflVn , (XVII-1)L = T fl V n , (XVII-1)

wobei 7[{ in VI berechnet worden ist und V„ die Lineargeschwindigkeit an der Reaktionsseite bedeutet, die nach XVI angenommen und bestätigt wurde.where 7 [{has been calculated in VI and V "means the linear velocity on the reaction side which was assumed and confirmed according to XVI.

XVIII.XVIII.

Für Kästchen 300 wird der Querschnitt der Durchgänge an der Reakticnsseite A. ,, aus folgender Beziehung ermitteltFor box 300, the cross section of the passages on the reaction side A 1 is determined from the following relationship

AXH = 2X (XVI11-1 ) A XH = 2 X ( XVI11 - 1 )

L ergibt sich aus XVII und \>„ aus VIII.L results from XVII and \> "from VIII.

Gesamtoberfläche der Reaktionsseite Αφυ errechnet sich nach Kästchen 310 aus der BeziehungTotal surface area of the reaction side Α φυ is calculated according to box 310 from the relationship

δ =
IH
δ =
IH

- 23 ß09832/Ö933 - 23 ß09832 / Ö933

wobei man ΑχΗ aus XVIII und GH aus IV erhält.where Α χΗ is obtained from XVIII and G H from IV.

Für Kästchen 320 werden die Parameter an der Kühlseite be rechnetFor box 320, the parameters on the cooling side are calculated

Das Verhältnis ^H/^c ergibt sich aus IV und ^ aus VIII.The ratio ^ H / ^ c results from IV and ^ from VIII.

Der mittlere Querschnitt der Durchgänge an der Kühlseite A ergibt sich ausThe mean cross section of the passages on the cooling side A results from

=^ (XX-2)= ^ (XX-2)

und die gesamte Fläche der Kühlseite A,„c ausand the entire area of the cooling side A, “ c from

_ AxC
ATC ~ "g~. (XX-3)
_ A xC
A TC ~ "g ~. (XX-3)

Gp erhält man aus IV.Gp is obtained from IV.

Für Kästchen 330 wird die Länge, des Strömungswegs X berechnet. Unter der Annahme, daß die Grundfläche ein Quadrat ist, d. h. entweder ein Würfel mit der Seite X oder ein Prisma mit der Grundfläche X . X und -ψΧ senkrecht zu den Strömungsdurchgangen, d. h, der Höhe, ergebäi sich folgende BeziehungenFor box 330, the length, X, of the flow path is calculated. Assuming that the base is a square, that is, either a cube with the X side or a prism with the X base. X and -ψΧ perpendicular to the flow passages, d. h, the height, the following relationships result

oder X -Η~ (XXI-Dor X -Η ~ (XXI-D

- 24 -- 24 -

8 0 9882/09338 0 9882/0933

Für Kästchen 340 werden die Werte für X aus XV und XXI verglichen. Ist die so berechnete Länge unterschiedlich zu der angenommenen Länge nach XV, so wird XVI bis XXI entsprechend Kästchen 350 bis 260 wiederholt unter Anwendung der berechneten Werte für X und so lang wiederholt, bis Übereinstimmung erreicht wird. Dann wird fortgefahren:For box 340, the values for X from XV and XXI are compared. If the length calculated in this way differs from the assumed length according to XV, XVI to XXI become accordingly Repeatedly boxes 350-260 using the calculated Values for X and repeated until agreement is reached. Then it continues:

XXIII.XXIII.

Für Kästchen 360 wird die Austrittstemperatur des Kühlgases Ti, berechnet. Für eine adiabatische Reaktionstemperatur, ΔT1 wird zuerst aus der BeziehungFor box 360, the outlet temperature of the cooling gas Ti is calculated. For an adiabatic reaction temperature, ΔT 1 is first obtained from the relationship

(XXIII-1) (XXIII-1)

errechnet, C , p„, C „ und - AH ergeben sich aus I oder III Der V/ert für Δι wird benötigt für die Berechnung der Austrittstemperatur nachcalculated, C, p ", C" and - AH result from I or III The V / ert for Δι is required for the calculation of the outlet temperature according to

(k(k

J^ L* 0^ HJ ^ L * 0 ^ H

Ί' erhält man aus V und A ist das Verhältnis .K/R in den eri"tΊ 'is obtained from V and A is the ratio .K / R i n den eri "t

sprechenden Einheiten, wie in II bestimmt.speaking units as determined in II.

Für Kästchen 370 wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühl gases in Hol/d (d = 86400 s), £c,aus der BeziehungFor box 370, the flow rate of the cooling gas in Hol / d (d = 86400 s), £ c , is derived from the relationship

r _ 864UOVpA-Pn r _ 864UOVpA-P n

te - —r— (xxiv-1) te - —r— (xxiv-1)

wc w c

- 25 -- 25 -

9882/09339882/0933

berechnet, Mc und i<c stehen aus III, Vc aus XVI und AxC aus XX zur Verfügung.calculated, M c and i < c are available from III, V c from XVI and A xC from XX.

XXV. ...XXV. ...

Für Kästchen 380 wird die Anzahl der einzelnen Reaktoren der angenommenen Dimensionen aus der BeziehungFor box 380, the number of individual reactors of the assumed dimensions is derived from the relationship

Wn =-j (XXV-1)W n = -j (XXV-1)

berechnet, worin L sich aus XVII und X aus XXI ergibt.calculated, where L results from XVII and X from XXI.

Isotherme Bedingungen an der Katalysatorseite lassen sich nur aufrechterhalten, wenn die Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung im wesentlichen direkt proportional ist zu der Konzentration ete-3? der Reakticnspartner. Wie erwähnt, ist zu berücksichtigen, daß die Geschwindigkeit der Wärmeentwicklung Fälle umfaßt, in den^diese Geschwindigkeit eine positive Ziffer ist, also exotherme Reaktion,oder auch eine negative Ziffer sein kann, also endotherme Reaktion. Ist die Reaktionskinetik nicht erster Ordnung bzw. die Reaktion irreversibel, müssen die physikalischen Kenndaten des Systems so modifiziert werden, daß eine direkte Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung und der Konzentration der Reaktionspartner besteht. Für Reaktionen zweiter Ordnung zwischen A und B ergibt sich die Reaktionsgeschwindigkeit r" nachIsothermal conditions on the catalyst side can only be maintained if the rate of heat release is essentially directly proportional to the concentration ete-3? the reaction partner. As mentioned, it must be taken into account that the rate of heat development includes cases in which this rate is a positive number, that is, exothermic Reaction, or a negative number, so endothermic reaction. If the reaction kinetics are not of the first order or the reaction is irreversible, the physical Characteristics of the system are modified so that there is a direct relationship between the rate of heat release and the concentration of the reactants. For reactions of the second order between A and B results in the reaction rate r ″ according to

r» = Ic00 exp(-—f )CA.CÜ, (S-1)r »= Ic 00 exp (-— f) C A .C Ü , (S-1)

wobei die letzten beiden Ausdrücke Konzentrationen der beiden Reaktionspartner bedeuten. Die Modifikation der Reaktionsbe-• dingungen gleicht die Reaktion an an die Kinetik einer Reaktion erster Ordnung (pseudo-erste Ordnung) entsprechend den Gleichungen where the last two expressions mean concentrations of the two reactants. The modification of the reaction • conditions adapts the reaction to the kinetics of a reaction of the first order (pseudo-first order) according to the equations

809882/0933 - 26 -809882/0933 - 26 -

in denen die Geschwindigkeitskonstanten kooCg bzw. k^C. sind. Ähnliche Überlegungen sind anwendbar auf Reaktionen anderer Ordnungen und Reaktionskonstanten, die unter Berücksichtigung obiger Berechnungen, z. B. VI, VII, XI, XIV, angenommen worden sind.in which the rate constants kooCg and k ^ C. are. Similar considerations are applicable to reactions of other orders and reaction constants which, under consideration of the above calculations, e.g. B. VI, VII, XI, XIV have been accepted.

Die obige Modifikation für die scheinbare Ordnung der Reaktionen kann durch folgende Methode vervollständigt werden.The above modification for the apparent order of the reactions can be completed by the following method.

1. Die Katalysatorkonzentration kann über den Reaktionsverlauf variieren.1. The catalyst concentration can be determined over the course of the reaction vary.

2. Der Durchsatz an der Reaktionsseite kann durch Variation der Ü-röße und/oder der Anzahl der Durchgänge in dem Reaktor an der Reaktionsseite geregelt werden.2. The throughput on the reaction side can be varied by varying the O-size and / or the number of passes in the reactor the reaction side can be regulated.

Die erste Möglichkeit ist praktischer, da dazu nur der Katalysator mit einem inerten Material verdünnt werden muß.The first option is more practical because it only uses the catalyst must be diluted with an inert material.

Es wurde gezeigt, daßIt has been shown that

P = exp/Xn-1) Nc ^J { (S-3)P = exp / Xn-1) N c ^ J { (S-3)

worin P das Verhältnis der Katalysatormenge W (g/cnr) an einem beliebigen Punkt χ im Reaktor zu der Katalysatormenge W bei x=0 ist: η bedeutet die Ordnung der Reaktion; N^ die Anzahl der Wärmcübertragungseinheiten auf der Kühlseite, die -In (1-z) entspricht; χ ist die spezifische Länge des Reaktionsverlaufs und L die gesamte Menge des ReaktionsVerlaufs.where P is the ratio of the amount of catalyst W (g / cnr) in one any point χ in the reactor for the amount of catalyst W at x = 0: η denotes the order of the reaction; N ^ the number the heat transfer units on the cooling side, the -In (1-z) is equivalent to; χ is the specific length of the course of the reaction and L is the total amount of the reaction history.

Sind mehrere, d. h. vier oder mehrere, einzelne wärmeaustauschende ,Reaktoren in Serie angeordnet, wie beispielsweise in den Figuren 2 und 12 gezeigt, und unter der Annahme, daß die Geschwindigkeit der katalytischen Reaktion je Volumeneinheit direkt proportional ist der Katalysatormenge, kann die Verdünnung des Katalysators mit guter Nahrung erreicht v/erden, indem der Kataly-Are several, i.e. H. four or more, single heat exchangers , Reactors arranged in series, as shown for example in Figures 2 and 12, and assuming that the speed the catalytic reaction per unit volume is directly proportional to the amount of catalyst that can dilute the The catalyst with good food is achieved by the catalyst

- 27 809882/0933 - 27 809882/0933

sator in die Durchgänge jedes wärmeaustauschenden Reaktors oder jede Stufe eingefüllt wird, und zwar mit der entsprechenden Konzentration, um ein mittleres Verhältnis P über die gesamte Länge des Blocks zu erreichen. Diese Konzentrationen lassen sich errechnen aus den Werten für P bei x, entsprechend dem Eintritt und dem Austritt der aufeinanderfolgenden wärmeaustauschenden Reaktoren, d. h. für vier Wärmeaustauscher sind den Berechnungen für das Verhältnis |j 0, 0,25, 0,50, 0,75 und 1 zugrundezulegen. Aus diesen Werten für P wird das Mittel in jedem Reaktor berechnet und die Menge an Verdünnungsmittel, bezogen auf das Volumen, ist leicht zu ermitteln bei der Annahme, daß die höchste Katalysatorkonzentration in der letzten Stufe zur Anwendung gelangt und der meist-verdünnte Katalysator sichsator in the passages of each heat exchanging reactor or each stage is poured in, with the appropriate concentration, to an average ratio P over the entire Length of the block. These concentrations can be calculated from the values for P at x, accordingly the entry and exit of the successive heat exchanging reactors, d. H. for four heat exchangers are the calculations for the ratio | j 0, 0.25, 0.50, 0.75 and 1 should be taken as a basis. These values for P become the mean in calculated for each reactor and the amount of diluent, based on the volume, is easy to determine by assuming that the highest catalyst concentration is used in the last stage and the most dilute catalyst is used

istis

in den früheren Stufen befindet. Das inerte Material /vorzugsweise das gleiche, z. B. hinsichtlich der Teilchengröße und Form der Wärmekapazität usw., wie der Katalysatorträger.located in the earlier stages. The inert material / preferably the same, e.g. B. in terms of particle size and shape of heat capacity, etc., such as the catalyst support.

Ganz analog kann man vorgehen für die Korrektur der anzuwendenden Katalysatormenge für die adsorptionsbehinderte bzw. reversible Reaktionen.The procedure for correcting the amount of catalyst to be used for the adsorption-hindered or reversible one can proceed in a completely analogous manner Reactions.

Obwohl hier in der Beschreibung und in den Beispielen in erster Linie heterogene Reaktionen teilweise katalysiert besprochen werden, umfaßt die Erfindung auch homogene Reaktionen unter isothermen Beziehungen im Gleichstrom oder Pseudogleichstrom durch entsprechende einfache verfahrenstechnische Abwandlungen. Es wird anerkannt, daß es außerordentlich schwierig ist, Anlagen zu planen, in denen ausschließlich Gleichstrom herrscht wegen der Probleme der Anschlüsse. Pseudogleichstrom läßt sich leichter erreichen;wegen der geraden Durchgänge in Kreuzstromwärmeaustauschern ist das Einbringen des Katalysators relativ ein-' fach.Although here in the description and in the examples primarily heterogeneous reactions are discussed, some of which are catalyzed the invention also encompasses homogeneous reactions under isothermal relationships in cocurrent or pseudocurrent through corresponding simple procedural modifications. It is recognized that it is extremely difficult to find investments to plan where there is only direct current because of the problems of the connections. Pseudo direct current is easier to use because of the straight passages in cross-flow heat exchangers the introduction of the catalyst is relatively simple.

Die Erfindung wird an folgenden Beispielen weiter erläutert.The invention is further illustrated by the following examples.

- 28 -- 28 -

809882/0933809882/0933

Beispiel 1example 1

Für die Umwandlung von CO in COp wurde ein Reaktor, wie er schematisch in Fig. 4 dargestellt ist, herangezogen;durch Abheben des Deckels erkennt man vier Querstrom-Wärmeaustauscher 400, ähnlich aufgebaut,wie in Fig. 1 gezeigt, jedoch mit speziellen Dimensionen und fixiert mit den Bolzen 418. Die Wärmeaustauscher 400 bestehen aus C.ordierit und sind zwischen den Ansätzen 414 in de. Gehäuse 402 fixiert. Es ist die Abdeckung 404 vorgesehen. Zwischen den Wärmeaustauschern 400 und allen Kontaktflächen, wie den Fixierungen 414 und den Abdeckungen, befindet sich ein (nicht gezeigtes) Dichtungsmaterial für hohe Temperaturen, wie es beispielsweise aus der US-PS 3 916 057 bekannt ist. Die (nicht gezeigten) Bolzen dienen zur Fixierung der (nicht gezeigten) Abdeckung. Die Durchgänge in jedem Wärmeaustauscher entsprechen denen der Fig. 1, wobei die Durchgänge in einer Richtung mit einem Kupfcr-Chrom-Katalysator gefüllt sind. Dieser Katalysator kann pelletiert sein, z. B.A reactor as shown schematically in FIG. 4 was used for the conversion of CO into COp; by lifting the cover one can see four cross-flow heat exchangers 400, similarly constructed as shown in FIG. 1, but with special dimensions and fixed with the bolts 418. The heat exchangers 400 consist of C. o rdierit and are between the lugs 414 in de. Housing 402 fixed. The cover 404 is provided. Between the heat exchangers 400 and all contact surfaces, such as the fixings 414 and the covers, there is a sealing material (not shown) for high temperatures, as is known, for example, from US Pat. No. 3,916,057. The bolts (not shown) are used to fix the cover (not shown). The passages in each heat exchanger correspond to those of Fig. 1, the passages being filled in one direction with a copper-chromium catalyst. This catalyst can be pelletized, e.g. B.

zu Zylindern 2 mm Durchmesser, 1 mm Höhe und 1,44 % Cu und 0,97 % for cylinders 2 mm in diameter, 1 mm in height and 1.44 % Cu and 0.97 %

gefüllt
Cr enthalten, bis auf etwa 6 mm der Fläche und anschließend QuarzStückchen etwa der gleichen Größenordnung. Die Stückchen und der Katalysator werden mit Hilfe dos Netzes 416 aus korrosionsbeständigem Stahl an Ort und Stelle gehalten. Über 410 wird Luft eingeführt, um dadurch Sauerstoff zur Verfügung zu stellen und als Kühlgas zu wirken. Über 412 wird CO eingespeist. Der als Kühlmittel dienende Luftstrom gelangt über das Ventil 406 und den Strömungsmesser 408 bei 420 in den Reaktor, verläßt diesen über 422. Der Teil der eingespeisten Luft, der Sauerstoff zur Verfügung stellen soll, geht über das Drosselventil 430, das Luftfilter 432, das Strömungsmeßgerät 436 und die Beheizung 436, in der eine geringe Menge an Kupfer-Chrom-Katalysator bei 438 eingeführt wird. Der CO-Strom 412 wird geregelt durch Ventile in der Speiseleitung (nicht gezeigt). Der Hauptstrom gelangt durch den Rotameter 440 und mischt sich mit dem aus der Beheizung 436 kommenden Luftstrom. Um die Luft in der Beheizung
filled
Cr contain up to about 6 mm of the area and then quartz pieces of about the same size. The bits and catalyst are held in place by means of the stainless steel net 416. Air is introduced through 410 to provide oxygen and act as a cooling gas. CO is fed in via 412. The air flow serving as coolant enters the reactor via valve 406 and flow meter 408 at 420, leaves it via 422. The part of the air fed in, which is intended to provide oxygen, goes via the throttle valve 430, the air filter 432, the flow meter 436 and the heater 436 in which a small amount of copper-chromium catalyst is introduced at 438. The CO stream 412 is regulated by valves in the feed line (not shown). The main flow passes through the rotameter 440 and mixes with the air flow coming from the heater 436. To the air in the heating

- 29 -- 29 -

809882/0933809882/0933

28278342827834

436 auf die entsprechende Temperatur zu bringen, kann man einen kleinen Teilstrom von CO über das Ventil 442 bei 444 in den Luftstrom einführen, welches in einer exothermen Reaktion am Katalysator 438 oxidiert wird. Der vereinigte Strom von Luft und CO tritt bei 450 in den Reaktor ein und gelangt in den Pseudogleichstrom mit dem Kühlmittel durch eine Anzahl von Reaktoren, v/o über dem Kupfer-Chrom-Katalysator in den Durchgängen die Oxidation von CO zuCOp stattfindet, welches bei 452 ausgetragen wird. Um nun experimentell die isotherme Umsetzung und den Umsetzungsgrad festzustellen, sind in den Kammern 474 Temperaturfühler und Röhrchen für die Probenahme vorgesehen. Schließlich ist ein Temperaturmeßgerät 476 für den Reaktionsstrom in dem wärmeaustauschenden Reaktor vorgesehen. Das Temperaturmeßgerät 460 ist für die Kammern und das Rohr 462 für die Probenahme des Kühlgases aus diesen Kammern vorgesehen, um die Diffusion durch die Reaktorwände oder eine Leakage aus einem Strom in den anderen festzustellen. Mit Hilfe von 466 wird die Temperatur des Kühlstromc bestimmt. Als Temperaturmeßgeräte dienen im allgemeinen Thermopaare und die Analyse der Gase durch Chromatographie.One can bring 436 to the appropriate temperature Introduce small partial stream of CO via valve 442 at 444 into the air stream, which in an exothermic reaction on Catalyst 438 is oxidized. The combined stream of air and CO enters the reactor at 450 and enters the Pseudo co-current with the coolant through a number of Reactors, v / o above the copper-chromium catalyst in the passageways the oxidation of CO to COp takes place, which is discharged at 452. To now experimentally implement the isothermal and to determine the degree of conversion, there are temperature sensors and tubes for sampling in chambers 474 intended. Finally, there is a temperature meter 476 for the reaction flow in the heat exchanging reactor intended. The temperature measuring device 460 is for the chambers and the tube 462 for sampling the cooling gas therefrom Chambers are provided to determine diffusion through the reactor walls or leakage from one stream into the other. With the aid of 466, the temperature of the cooling stream is determined. Thermocouples and the analysis of gases by chromatography are generally used as temperature measuring devices.

Die bestimmbaren Parameter des Systems, wie unter I, II, III und IV angegeben, sind in folgender Tabelle 1 zusammengefaßt.The determinable parameters of the system, as under I, II, III and IV are summarized in Table 1 below.

Tabelle 1Table 1 Cn C n 5,19 · 10~7 g-Mol/cm5 5.19 x 10 ~ 7 g-moles / cm 5 O
C
O
C.
7,21 . 10~8 g-Mol/cm3 7.21. 10 ~ 8 g-mol / cm 3
ZZ 0,860.86 FF. 20,6 g-Mol/d20.6 g-moles / d M
H
M.
H
29,0 g/g-Hol·29.0 g / g-hol
-Ali-Ali 45,600 cal/g-Mol45,600 cal / g mol

809882/0933809882/0933

II. Pr 1,19 g/cm3 II. P r 1.19 g / cm 3

£ 0,564£ 0.564

Ic^ 1,75 . 10~8 sec"1 Ic ^ 1.75. 10 ~ 8 sec " 1

Dp 0,317 cmD p 0.317 cm

iS/R 8944°KiS / R 8944 ° K

III. CpH 0,254 cal/g . grdIII. C pH 0.254 cal / g. grd

C^p 0,256 cal/g . grdC ^ p 0.256 cal / g. grd

p -4 , p -4 ,

λχ 2,38 . 10 g/cm . s λχ 2.38. 10 g / cm. s

K 8,39 . 10"^ cal ο grd K 8.39. 10 "^ cal ο grd

s. cm1" * cms. cm 1 "* cm

l-ic 29,0 g/g-Molli c 29.0 g / g-mol

Pn 7,53 . 10"4 g/cm3 P n 7.53. 10 " 4 g / cm 3

P0 7,93 . 10"4 g/cm3 P 0 7.93. 10 " 4 g / cm 3

IV. ψ 1,0IV. Ψ 1.0

J11 1,93 cmJ 11 1.93 cm

J0 0,99 cmJ 0 0.99 cm

An 0,95 cmA n 0.95 cm

λ0 0,71 cmλ 0 0.71 cm

a,, 0,40 cma ,, 0.40 cm

a,, 0,16 cma ,, 0.16 cm

br 6,60 cm"w r 6.60 cm "

bc 8,80 cm"1 b c 8.80 cm " 1

f 0,10f 0.10

2j,T 0,83 cm2j, D 0.83 cm

2J0 0,348 cm2J 0 0.348 cm

θ 0,0305 cmθ 0.0305 cm

k' 3,44 . 10~3 cal οk '3.44. 10 ~ 3 c al ο

s.cm * cms.cm * cm

&1 0,061 cm & 1 0.061 cm

809882/0933809882/0933

F ist oben angegeben für eine Anfangskonzentration von 2 % CO in Luft. Die tatsächliche tägliche Menge von CO + Luft ist also etwa 50mal so groß als der für F angegebene Wert.F is given above for an initial concentration of 2 % CO in air. The actual daily amount of CO + air is therefore about 50 times as large as the value given for F.

Unter Anwendung obiger Berechnungen und Daten ist es möglich, alle Begriffe in der BeziehungUsing the above calculations and data, it is possible to find all the terms in the relationship

VTC UCTCSC°HV T C U C T C S C ° H MM. .,.,

zu berechnen·ppC ρ kann auch als (^C )„ geschrieben werden. Aus obigen Werten stammen die Ziffern der Tabelle 2.to calculate · ppC ρ can also be written as (^ C ) “ . The figures in Table 2 come from the values above.

Tabelle 2Table 2

TH 2A'9°CT H 2A'9 ° C

Tc 199°CT c 199 ° C

Uc 3,37 · 10~/+ cal/s . cm2 . grdU c 3.37 x 10 ~ / + cal / s. cm 2 . grd

UH 4,28 . 10 cal/s . cm2 . grdU H 4.28. 10 cal / s. cm 2 . grd

' rH 0,308 s'r H 0.308 s

rc 0,0476 sr c 0.0476 s

SC/SH 0,787S C / S H 0.787

^H/0c 2,68^ H / 0 c 2.68

iis gibt verschiedene Methoden, um zu zeigen, daß die beschriebenen Reaktionsbedingungen tatsächlich exakt definiert sind. Nach einer Methode werden die Temperaturen durch die Meßgeräte 460, 466, 470, 476 entlang des Reaktionsweges gemessen und nacheinander als Funktion des gesamten Weges, d. h. von 0 bis 1faufgetragen in einem Diagramm. Die Ergebnisse eines solchen Versuchs, der durch die obigen Parameter beschrieben ist, sind in dem Diagramm der Fig. 11 angegeben, wobei sich die Zeichen χ, Λ , + und O auf die Meßgeräte 460, 466, 470 bzw. 476 beziehen. Die Temperatur des Kühlgases steigt von 199 auf etwa 2510C und die von CO vonThere are various methods to show that the reaction conditions described are in fact precisely defined. According to one method, the temperatures are measured by the measuring devices 460, 466, 470, 476 along the reaction path and plotted in a diagram one after the other as a function of the entire path, ie from 0 to 1 f. The results of such an experiment, described by the above parameters, are given in the diagram of FIG. 11, the symbols χ, Λ , + and O referring to meters 460, 466, 470 and 476, respectively. The temperature of the cooling gas rises from 199 to about 251 0 C and that of CO from

- 31 809882/0933 - 31 809882/0933

3' 2827S343 '2827S34

der Einspeisetemperatur 2490C auf maximal etwa 255°C. Die hervorragenden isothermischen Bedingungen ergeben sich aus der geringen Schwankungsbreite von 252 - 3°C. Der Umsetzungsgrad war 85,4 % gegenüber 86 % nach den Berechnungen (z = 0,86). the feed temperature 249 0 C to a maximum of about 255 ° C. The excellent isothermal conditions result from the small fluctuation range of 252 - 3 ° C. The degree of implementation was 85.4% compared to 86 % according to the calculations (z = 0.86).

Zur weiteren Bestätigung der Beziehungen, wie sie oben beschrieben worden sind, ist es möglich, die Anzahl der benötigten V/ärmeaustauscher zu berechnen sowie deren Dimensionen und den Kühlstrom, der für die erhaltenen Ergebnisse benötigt wird. Zusätzliche Daten hinsichtlich der Versuchsbedingungen sind in der Tabelle 3 zusammengefaßt.To further confirm the relationships as described above it is possible to determine the number of V / heat exchangers required to calculate as well as their dimensions and the cooling flow required for the results obtained. Additional Data relating to the experimental conditions are summarized in Table 3.

Tabelle 3Table 3

0H 3ü5,8 cm3 0 H 3 by 5.8 cm 3

0c 113,3 cm3 0 c 113.3 cm 3

L 20,32 cmL 20.32 cm

X 5,08 cmX 5.08 cm

AxH 15,05 cm2 A xH 15.05 cm 2

AxC 5,593 cm2 A xC 5.593 cm 2

er 5,670 g-Mol/de r 5.670 g-mol / d

^ 4^ 4

W 158 gW 158 g

Die in den Berechnungen angewandten Begriffe und werte sind in Tabelle 4 zusammengefaßt für drei signifikante Werte.The terms and values used in the calculations are summarized in Table 4 for three significant values.

Tabelle 4 Table 4

iMH 5,04iM H 5.04

Wc 1,97W c 1.97

r 1,97r 1.97

(K 2,56 (K 2.56

Q 0,390Q 0.390

- 32 809882/0933 - 32 809882/0933

öloil
—3a.—3a.
-- cal/s .cal / s. 28279342827934 . grd. grd
4,284.28 . 10~4 . 10 ~ 4 cmcm 4,344.34 cm/scm / s 67,167.1 cm/scm / s 375375 67,467.4 0,8670.867 0,6950.695 cal/s .cal / s. . grd. grd 7,777.77 . ΙΟ"4 . ΙΟ " 4 cal/s .cal / s. cmcm . grd. grd 1,881.88 . 10"3 . 10 " 3 cmcm

UH VC VH ReC ReH U H V C V H R eC R eH

hH h H

Mit den Werten auc den Tabellen 1, 2 und 4 lassen sich die Bezeichnungen aus der Tabelle 3 (die experimentell bestimmt v/erden) berechnen, wie sich aus der Tabelle 5 ergibt, einschließlich der angenäherten Abweichung in % von den in Tabelle 3 angegebenen Werten. With the values also in Tables 1, 2 and 4, the designations from Table 3 (which are determined experimentally) can be calculated, as shown in Table 5, including the approximate deviation in % from the values given in Table 3 .

Tabelle 5Table 5 Abweichungdeviation 1,851.85 311,5311.5 cmcm 2,502.50 116,1116.1 cmcm 1,751.75 20,6920.69 cmcm 1,921.92 5,1885.188 cmcm 0,620.62 15,14315.143 cmcm 0,00.0 5,5745,574 cmcm 6,086.08 6,0146.014 g-Mol/dg-moles / d 00 44th 3,073.07 162,7162.7 gG

AxH AXC A xH A XC

Man sieht, daß in allen Fällen eine sehr gute Übereinstimmung besteht. Es wird darauf hingewiesen, daß obige Ziffern etwas aufgerundet auf drei oder vier signifikanten Ziffern wurden aus V/erten, die sich aus Computerberechnungen ergaben. Man kann also sagen, daß die oben errechneten Abweichungen in allen Fällen unwesentlich sind.You can see that in all cases there is a very good match consists. It should be noted that the above figures have been rounded up to three or four significant figures from values obtained from computer calculations. It can therefore be said that the deviations calculated above in all cases are immaterial.

- 33 809882/0 9- 33 809882/0 9

25279342527934

Beispiel 2Example 2

Mit obigen mathematischen Beziehungen und zur Erleichterung in Rechner-geeigneten Formen lassen sich die Variationen von 7Zj. in Form von maximaler Abweichung von isothermen Beziehungen in 0C und C/CQ links und rechts auf den Urdinaten gegen die Einspeisetemperatur in 0C auf der Abszisse darstellen. Der Einfachheit halber ist N1, = Un undThe variations of 7 Zj. in the form of maximum deviation from isothermal relationships in 0 C and C / C Q left and right on the Urdinaten versus the feed temperature in 0 C on the abscissa. For the sake of simplicity, N 1 , = U n and

»fe PH _ -ι-] -1-1 (2-1)»Fe P H _ -ι-] -1-1 (2-1)

den Berechnungen zugrunde gelegt. Das Kühlgas wurde mit O0C eingespeist, das Reaktionsgas enthielt 5,48 % CO.the calculations are based on. The cooling gas was fed in at 0 ° C., the reaction gas contained 5.48% CO.

Die Abweichungen von den i so the rmi sehen Bedingungen v/erden als + 4T,, bzw. - ÄT„ angegeben, k^f,, ergibt sich aus der Tabelle 6, in der die Variablen aus den Diagrammen der Fig. bis 1U zu entnehmen sind.The deviations from the i so the rmi see conditions v / earth as + 4T "or - ÄT" indicated, k ^ f "results from table 6, in which the variables from the diagrams of FIGS can be found.

Tabelle 6Table 6 NH = liC N H = left C 0,9830.983 162Ü162Ü 0,9830.983 250U250U 0,9830.983 10001000 ο,ουυο, ουυ 16201620 2,002.00 16201620 25,0025.00 16201620

Figurfigure

5 6 7 85 6 7 8

9 109 10

Die obigen Variationsbereiche für T^ und N^ sind um die optimalen Werte aus Fig. 5 nach jeder Seite relativ breit. Daß exakt isotherme Bedingungen vorliegen, müssen die Kurven für +Δ T^ und - ΛT zur gleichen Zeit eine Abweichung von 0 zeigen. DiesThe above variation ranges for T ^ and N ^ are relatively wide around the optimal values from FIG. 5 after each side. To ensure that the conditions are exactly isothermal, the curves for + Δ T ^ and - Λ T must show a deviation from 0 at the same time. this

- 34 809882/0933 - 34 809882/0933

ist der Fall am Schnittpunkt der Kurven in Fig. 5 bei etwa 55O°C. Es ist offensichtlich, daß etwas höhere Eintrittstemperaturen höhere Ausbeuten begünstigen wegen der steilen negativen Neigung der Umsetzungskurve bei dieser Temperatur. Der Bereich der Arbeitsfähigkeit kann auf jeder Seito des isothermen Punktes gewählt werden, wie durch die Pfeile angedeutet, die isotherme Bedingungen für - 1000C andeuten. Der Bereich kann auch auf -ü und +1üO°C oder andere Werte festgesetzt werden, wenn dies wünschenswert ist. Das Diagramm zeigt dann den Einfluß auf die Umsetzung. Isotherme Bedingungen mit -entsprechen! Beispiel 1 gestatten einen relativ engen Bereich der Arbeitsbedingungen.is the case at the intersection of the curves in FIG. 5 at about 550 ° C. It is obvious that somewhat higher inlet temperatures favor higher yields because of the steep negative slope of the conversion curve at this temperature. The range of the working capacity of the isothermal point may be selected at any Seito, as indicated by the arrows, the isothermal conditions - indicate 100 0 C. The range can also be set to -ü and + 1üO ° C or other values if this is desirable. The diagram then shows the impact on the implementation. Isothermal conditions with - correspond! Example 1 allow a relatively narrow range of working conditions.

Selbstverständlich können auch andere Faktoren als die Umsetzung von Bedeutung sein, wie ein Verkoken bei einer Methanisierung, das bei übermäßigen Temperaturen eintritt, tür jede gegebene Reaktion kann eine Gruppe derartiger Kurven gebildet werden, welche als Anhaltspunkt für die manuelle Regelung dient oder ein Computer kann auf Variationen exakt programmiert werden, die er automatisch und kontinuierlich überwacht.Of course, other factors than implementation can also be important, such as coking during methanation, that occurs at excessive temperatures for any given Response, a group of such curves can be formed, which serves as a reference point for the manual control or a computer can be programmed precisely for variations, which it automatically and continuously monitors.

Die B'ig. 6 bis 10 zeigen, daß keine anderen Bedingungen zur isothermen Reaktion führen oder eine Abweichung um geringe Werte bei guten Umsetzungen gestatten wie unter den in Fig. gezeigten Bedingungen. Fig. 8 zeigt, daß ohne Kühlung die Reaktionstemperatur nur ansteigt und obwohl gute Umsetzung bei diesem speziellen System erreicht wird, die Temperatur an der Reaktionsseite auf'10000C ansteigt. So ein beträchtlicher Temperaturanstieg ist nur möglich, weil das gewählte Modellsystern relativ frei von rJebenreaktionen, Katalysatorvergiftung und anderer nachteiliger Erscheinungen ist. In anderen Systemen, wie bei der Methanisierung, ist dies nicht notwendigerweise der Fall. Die Fig. 9 und 10 zeigen größere Schwankungsbreiten hinsichtlich der Temperatur. Diese Berechnungen wurden angestellt unter der Annahme, daß die Reaktion nur teilweise in jedem Teil des ReaktorsThe B'ig. 6 to 10 show that no other conditions lead to the isothermal reaction or allow a deviation by small values with good conversions as under the conditions shown in FIG. Fig. Shows that without cooling the reaction temperature is only increased and although good conversion is achieved in this particular system, the temperature rises to the reaction side auf'1000 0 C8. Such a considerable increase in temperature is only possible because the selected model system is relatively free from side reactions, catalyst poisoning and other disadvantageous phenomena. In other systems, such as methanation, this is not necessarily the case. FIGS. 9 and 10 show greater fluctuations in terms of temperature. These calculations were made assuming that the reaction was only partial in any part of the reactor

- 35 8Q9882/0933 - 35 8Q9882 / 0933

stattfindst und daß die Strömung in gleicher Richtung stattfindet. take place and that the flow takes place in the same direction.

Beispiel 5Example 5

In einem Reaktor sollten 231 kg/h Methanol aus CO + 2H? hergestellt werden. Für diese Umsetzung läßt sich die Langmuir'sehe Adsorptionskinetik anwenden (F. Daniels und R. Alberty, Physical Chemistry, 3. Aufl., 288 (1966, John Wiley)). Für solche Reaktionen im allgemeinen und unter weitgehendster Verwendung obiger Begriffe ergibt sich die Geschwindigkeit r ausIn a reactor should 231 kg / h of methanol from CO + 2H ? getting produced. Langmuir's adsorption kinetics can be used for this conversion (F. Daniels and R. Alberty, Physical Chemistry, 3rd edition, 288 (1966, John Wiley)). For such reactions in general and using the above terms as extensively as possible, the rate r results from

worin C0 die Jsintrittckonzentration IxRF. Reaktionspartnern, deren Geschwindigkeit regelbar ist und K die Adsorptionskonstante in Gleichgewicht bei 1' für die Adsorption des die Geschwindigkeit regelnden Reaktionspartriers an dem Katalysator bedeutet.where C 0 is the entry concentration IxRF. Reaction partners, the speed of which can be regulated and K means the adsorption constant in equilibrium at 1 'for the adsorption of the reaction partner regulating the speed on the catalyst.

Hit obigen mathematischen Methoden und unter der Annahme, daß IL = top ist, ergibt sich folgende Beziehung:Hit above math methods and assuming that IL = top, the following relationship results:

wcx1 w c x i 1

Für die Langrauir'sehe Adsorptionskinetik ergibt sich das Verhältnis der Katalysatormenge P an jedem Punkt des Reaktors zu der Katalysatormenge am Beginn des Reaktors ausThe ratio results for Langrauir's adsorption kinetics the amount of catalyst P at each point of the reactor to the amount of catalyst at the beginning of the reactor

el T)el T)

P - κ + _1 (3-3) _ 36 -P - κ + _1 (3-3) _ 36 -

a Q1 a Q 1

809 8 82/0933809 8 82/0933

79347934

Angenommen, daß die Geschwindigkeit jeder katalytischen Reaktion je Volumeneinheit direkt proportional ist der Katalysatormenge, so folgt ganz allgemein die Materialbilanz während der Reaktion der BeziehungAssume that the rate of any catalytic reaction per unit volume is directly proportional to the amount of catalyst, so the material balance follows quite generally during the Relationship reaction

L dz β !Ih (r) .(3_„).L dz β ! Ih (r) . (3 _ ").

dx· C0 dx · C 0

Die Wärmebilanz an der Reaktions- und Kühlseite des Wärmeaustauschers ergibt sich aus folgenden Beziehungen:The heat balance on the reaction and cooling side of the heat exchanger results from the following relationships:

dT (-ΔΉ)ΡτΗ dT (-ΔΉ) Ρτ Η

dx H H ü ph pHdx HH ü p h pH

dxdx

(3-5) = μ (T -T ) (3-υ)(3-5) = μ (T -T) (3-υ)

Werden diese drei Gleichungen gleichzeitig aufgelöst, so kommt man zu folgender Gleichung:If these three equations are solved at the same time, the following equation is obtained:

(-AH)Cn (-ΔΗ)Ρτ,(-AH) C n (-ΔΗ) Ρτ,

VVV21Tr-9^.3 τϊ— · (r) (3"7) VVV 21 Tr- 9 ^. 3 τϊ— · (r) (3 " 7)

H H C PHLpH ΡιΓρΗ HHCP H L pH Ρ ιΓρΗ

undand

Z(-AH)C0 Λ Z (-AH) C 0 Λ

1C C (iH 1C^H0PH 1 CC (i H 1 C ^ H 0 PH

(3~8) (3 ~ 8)

aus denen sich P als Funktion der Länge aus den Werten Nr,, Cn ti und Z an einem beliebigen Punkt γ· errechnen Iäf3t.from which P is calculated as a function of the length from the values Nr ,, C n ti and Z at any point γ · Iäf3t.

- 37 -- 37 -

8098 82/09338098 82/0933

Dieses Vorgehen ist anwendbar auf die Methanolsynthese entsprechend Fig. 12.This procedure is applicable to the methanol synthesis accordingly Fig. 12.

Ein Gasgemisch (Synthesegas) aus 12 Vol.-% CO, 80 Vol.-% H2 und 8 Vol.-% inerte Substanzen wurde bei 500 eingespeist, die erste Stufe 512 eines zweistufigen Kompressors 510 und gelangte in den Wäscher 515. In den Wäscher wird bei 516 kaltes Y/asser eingeleitet und bei 518 ausgeleitet, welches zur Aufnahme des CO2 und anderer Verunreinigungen diente. Gegebenenfalls können Teile des Gasgemisches in die erste Stufe 512 des Kompressors 510 über die Verbindungsleitung 514 rückgeführt werden. Das Gas gelangt in die zweite Stufe 517 des Kompressors 510, v/o es auf den angestrebten Arbeitsdruck gebracht wirdfund wird dann über 522 der Falle 520 zugeführt und aus dieser nach Entfernung von Ol und anderen Schwebstoffen bei 524 ausgetragen. Die Werkstoffe der Anlage bis zu diesem Punkt müssen beständig sein gegenüber CO und H0. Es /also zu keiner Reaktion mit dem CO und zu keiner Versprödung durch Hp kommen. Besonders bei erhöhten Temperaturen können Kupfer ausgekleidete Anlagen für den Gleichstromreaktor 530 vorteilhaft sein. Obwohl nur ein Gleichstromreaktor gezeigt und im Detail beschrieben ist, ist offensichtlich, daß parallel mehrere solche Reaktoren arbeiten können.A gas mixture (synthesis gas) of 12% by volume of CO, 80% by volume of H 2 and 8% by volume of inert substances was fed in at 500, the first stage 512 of a two-stage compressor 510 and passed into the scrubber 515 Washer is introduced at 516 cold water and discharged at 518, which was used to take up the CO 2 and other impurities. If necessary, parts of the gas mixture can be returned to the first stage 512 of the compressor 510 via the connecting line 514. The gas reaches the second stage 517 of the compressor 510, v / o it is brought to the desired working pressure and is then fed via 522 to the trap 520 and discharged from this at 524 after removal of oil and other suspended matter. The materials of the system up to this point must be resistant to CO and H 0 . So there is no reaction with the CO and no embrittlement due to Hp. Copper-lined systems for the direct current reactor 530 can be advantageous, particularly at elevated temperatures. Although only one cocurrent reactor is shown and described in detail, it is obvious that several such reactors can operate in parallel.

Der Gleichstromi-eaktor 530 stellt im wesentlichen einen zylindrischen Turm mit einer Reihe von sechs übereinander angeordneten Kreuzstromwärrneaustauschern entsprechend Fig. 1 dar, die Erhebungen 540, 542 aufweisen und in denen sich an der Reaktionsseite 540 der Katalysator (nicht gezeigt) wie in Fig. 1 befindet. In diesem Beispiel wird angenommen, daß sechs kubische Einheiten mit einer Kantenlänge von 60,8 cm in einem 3,68 m hohen Turm vorgesehen. Die Erhebungen in diesen Einheiten sollen die gleiche Form haben (d. h. die Verhältnisse der Parameter) als in den obigen Beispielen, jedoch mit dünneren Wänden, die jedoch hinsichtlich der mechanischen !festigkeit ausreichen. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Vielzahl derartiger Türme kombiniert werdenThe DC actuator 530 is essentially cylindrical Tower with a row of six cross-flow heat exchangers arranged one above the other according to FIG. 1, the elevations 540, 542 and in which the catalyst (not shown) is located on the reaction side 540, as in FIG. 1. In this example it is assumed that there are six cubic units with an edge length of 60.8 cm in a 3.68 m high tower intended. The bumps in these units should have the same shape (i.e. the ratios of the parameters) as in the above examples, but with thinner walls, but with regard to mechanical strength sufficient. It should be noted that a plurality of such towers are combined

809882/0933809882/0933

28278342827834

kann und daß entsprechende VerMndungsleitungen für größere Produktionskapazitäten vorzusehen sind. Der Turm ist isoliert, weil für folgende Berechnungen Wärmeverluste nicht berücksichtigt sind.can and that corresponding connection lines for larger Production capacities are to be provided. The tower is insulated because heat losses are not taken into account for the following calculations are.

Die Einheiten sind an den Kanten, wo sie das Reaktorgefäß berühren, zur Verhinderung von Leckage fixiert. Dazwischen befinden sich Leitbleche 537, 538, Der Gleichstromreaktor 530 ist ausgestattet mit einer Kühlgaszuführung 532, einer Reaktionsmittelzuführung 534- und einer Kühlmittelableitung 533 bei der Zuführung 534 über einen Hilfserhitzer 535. In dem Nebenkreis 539 findet sich das Ventil 541 für weitere Reaktionsmittelzufuhrf als es für Kühlmittel dient.The units are fixed at the edges where they touch the reactor vessel to prevent leakage. In between there are baffles 537, 538, the direct current reactor 530 is equipped with a cooling gas supply 532, a reactant supply 534 and a coolant discharge 533 with the supply 534 via an auxiliary heater 535. In the secondary circuit 539 there is the valve 541 for further reactant supply f than it is used for coolant.

Wenn das Kühlmittel bei 532 und das Reaktionsgemisch bei 534 eintritt,gelangen sie über die Leitungen 542 bzw. 540 in die unterste Wärmeaustauschereinheit I durch die Leitbleche 537, 538;Uber der Einheit I werden die Ströme nach oben in die Einheit II geführt, wo sie dann durch die Leitbleche 537, 538 eintreten. Dies wird fortgesetzt, bis die Ströme die oberste Einheit - hier VI - durchströmt haben. Der Kühlstrom, der einen wesentlichen Anteil der Wärme aus der Umsetzung an der Reaktionsseite aufgenommen hat, gelangt dann an die Reaktionsseite, wo er an dem Katalysator in den Durchgängen 544 zu reagieren beginnt. Um die Reaktion in Gang zu bringen, wird über den Hilfserhitzer 535 Wärme zugeführt, bis die Temperatur des Synthesegases ausreichend hoch ist, so daß die Umsetzung am Katalysator in den Durchgängen 540 der Einheit I einsetzt und eventuell auch in den Einheiten I bis VI stattfindet.When the coolant at 532 and the reaction mixture at 534 enters, they reach the via lines 542 and 540, respectively Lowest heat exchanger unit I through the baffles 537, 538; Above the unit I, the currents are directed upwards into the unit II out, where they then enter through the baffles 537, 538. This continues until the currents reach the top unit - here VI - have flowed through. The cooling stream, which has absorbed a substantial proportion of the heat from the reaction on the reaction side, then reaches the reaction side, where it is begins to react on the catalyst in passages 544. To get the reaction going, the auxiliary heater is used 535 heat is supplied until the temperature of the synthesis gas is sufficient is high, so that the conversion on the catalyst begins in the passages 540 of the unit I and possibly also in the Units I to VI takes place.

Das Reaktionsgemisch enthält in der Hauptsache CO, H2 und CIUOH und verläßt den Reaktor 530 bei 531, um in den Kondensator 560 mit Hilfe der Kühlschlange 525 kondensiert zu werden, welchem Kühlwasser bei 564 zugeführt und aus welchem das Kühlwasser bei 562 abgeleitet wird. Der Kühlstrom aus gasförmiger und flüssiger Phase verläßt den Kondensator bei 56e und gelangt in das Trenn-The reaction mixture mainly contains CO, H 2 and CIUOH and leaves the reactor 530 at 531 to be condensed in the condenser 560 with the aid of the cooling coil 525, to which cooling water is supplied at 564 and from which the cooling water is removed at 562. The cooling flow of gaseous and liquid phase leaves the condenser at 56e and enters the separating

809882/0933809882/0933

- 39 -- 39 -

gefäß 570 bei 572, aus dem die Gase bei 574 abgeleitet und über 610 rückgeführt werden. Das Ventil 578 dient dazu, Teile des Rücklaufgases auszutragen, wenn sich Verunreinigungen bereits angereichert haben. Das Kondensat ist roher Methylalkohol und verläßt das Trenngefäß 570 bei 578 und wird in 580 entspannt. Die gasförmigen Stoffe verlassen das üintspannungsgefäß 580 bei 5Ö2 über das Ventil 584 und vereinigen sich mit dem Spülgas aus dem Ventil 578, um bei 586 abgeblasen zu v/erden.vessel 570 at 572, from which the gases are discharged at 574 and returned via 610. The valve 578 is used to parts Discharge of the return gas if there are impurities have already enriched. The condensate is crude methyl alcohol and leaves separation vessel 570 at 578 and is in 580 relaxed. The gaseous substances leave the tension vessel 580 at 5Ö2 via valve 584 and unite with the purge gas from valve 578 to vent at 586.

Rohes Methanol, aus dem der Hauptanteil von gelösten Gasen entfernt wurde, wird nun in die Destillationskolonne 590, die mit der Heizschlange 592 ausgestattet ist, eingeführt und dort abgestreift. Er gelangt über den Rückflußkondensator 600 und von diesem wieder über 594 zurück ::ur Destillation. Reines Methanol 608 wird über 602 ausgetragen und restliche Verunreinigungen, wie V/asser, werden bei 595 entfernt.Raw methanol, from which most of the dissolved gases are removed is now in the distillation column 590, which is equipped with the heating coil 592, introduced and stripped there. It passes through the reflux condenser 600 and from this again via 594 back :: ur distillation. Pure methanol 608 is discharged via 602 and residual impurities, like v / ater, are removed at 595.

Der Gleichstromreaktor 530 ist in den Einheiten I bis VI mit unterschiedlichen Konzentrationen an ZnO-Cr2O3- oder ZiD-CuO-CroO^Katalysator gepackt, wobei die Konzentrationen anhand der Kinetik und thermodynamisehen Daten für ZnO-Cr2O7-Katalysator von liatta berechnet sind ( "Catalysis", P. H. iSmmett, Bd. 3, S. 345 ff. (1955)) bzw. für Znü-CuO-Cr^-Katalysatoren von Pasquon und Dente (J. Catal. Bd. 1, S. 508 ff. (I962)). Optimale Arbeitsbedingungen sind 395°C und 280 Atmosphären.The DC reactor 530 is packed in units I to VI with different concentrations of ZnO-Cr 2 O 3 - or ZiD-CuO-CroO ^ catalyst, the concentrations based on the kinetics and thermodynamic data for ZnO-Cr 2 O 7 catalyst from liatta are calculated ("Catalysis", PH iSmmett, Vol. 3, p. 345 ff. (1955)) or for Znü-CuO-Cr ^ catalysts by Pasquon and Dente (J. Catal. Vol. 1, p. 508 ff. (1962)). Optimal working conditions are 395 ° C and 280 atmospheres.

Die Gleichung nach Pasquon und üente istThe equation according to Pasquon and üente is

(A + Ba00 + Ca^ + ^(A + Ba 00 + Ca ^ + ^

Reaktionsgeschwindigkeit für die Bildung von Methanol kg-Mol/hReaction rate for the formation of methanol kg-mol / h

Katalysatorwirksamkeit 0,67Catalyst efficiency 0.67

- 40 809882/0933 - 40 809882/0933

aco = thermodynamische Aktivität von CO =a co = thermodynamic activity of CO =

aM = thermodynamische Aktivität von HQ = „ pu a M = thermodynamic activity of H Q = “ p u

rip c. rip Urip c. rip U

arH OH = thermodynamische Aktivität von Methanol = a rH OH = thermodynamic activity of methanol =

= Aktivitätskoeffizient von CO = 1 fa = Aktivitätskoeffizient von H2 = 1 /CH OH = Aktivitätskoeffizient von CH,OH =0,52= Activity coefficient of CO = 1 fa = activity coefficient of H 2 = 1 / CH OH = activity coefficient of CH, OH = 0.52

ρ = ■ Partialdruck (Produkt des Molenbruchs der ■ Komponenten und 280 atm)ρ = ■ partial pressure (product of the mole fraction of the ■ components and 280 atm)

K = üleichgewichtskonstante der homogenen Reaktion y κ-?K = equilibrium constant of the homogeneous reaction y κ-?

bei der Methanol synthese = 2,67 . Λ0 atm *~for the methanol synthesis = 2.67. Λ0 atm * ~

Ae - -24,45 kcal/g-Mol Ae - -24.45 kcal / g-mole

AT = 386°C AT = 386 ° C

C = 7,6 cal/g-Mol . grdC = 7.6 cal / g mol. grd

A = 125 ·A = 125

B = .1,0 (. empirische Konstanten, bestimmt nachB = .1.0 (. Empirical constants, determined according to

C = 0,125 I Natta .C = 0.125 I Natta.

"D = 4,63 J "D = 4.63 J

Unter der Annahme von 7\r = 0,011 b und einer Kühlgastemperatur .Tp von 9°C bei Eintritt in die Einheit I lassen sich die Gleichungen 3-7, 3-8 und 3-9 lösendemNp = N„ = 0,357. Die Gleichung 3-7 kann umgeformt werden zur Lösung für das Verhältnis des Katalysatorgewichts P an jene Stelle des Reaktors nachAssuming 7 \ r = 0.011 b and a cooling gas temperature .Tp of 9 ° C when entering the unit I can be the equations 3-7, 3-8 and 3-9 dissolving NP = N "= 0.357. the equation 3-7 can be converted to the solution for the ratio of the catalyst weight P to that point of the reactor after

Pr _ Pr ,, Λ 1 νPr _ Pr ,, Λ 1 ν

1O 0 0 χ 1 O 0 0 χ

worin PQ das Verhältnis der Katalysatormenge bei Eintritt in die Einheit I ist und numerisch die Einheit darstellt; r^ ist die Reaktionsgeschwindigkeit und Z^ der Umsetzungsgrad bei Eintritt in die Einheit I. Es ist klar, daß, obwohl PQ ziffern-where P Q is the ratio of the amount of catalyst on entry into unit I and numerically represents the unit; r ^ is the reaction rate and Z ^ the degree of conversion when entering the unit I. It is clear that, although P Q is numeric

■ - 41 -■ - 41 -

8 09 88 2/0 9338 09 88 2/0 933

2827S342827S34

mäßig 1 ist, die tatsächliche Katalysatorkonzentration in reinen Katalysatorpsllets als Katalysator auf einem Träger oder als Katalysator + beliebiger Träger sein kann. Die Konzentration an inertem Verdünnungsmittel kann beliebig sein. Aus diesen Beziehungen können die Vierte für Z, P und r (g-Mol) CH,OH je g-iiatalysator und Stunde (beim Austritt aus den Einheiten (6 i-'inheiten) nach Kästchen 530 in Fig. 12 ermittelt werden, wobei die Werte in der Tabelle 7 ebenso wie die be-is moderately 1, the actual catalyst concentration in pure catalyst pellets as a catalyst on a carrier or as a catalyst + can be any carrier. The concentration of inert diluent can be any. the end these relationships can be the fourth for Z, P and r (g-mol) CH, OH per g-ii catalyst and hour (on leaving the units (6 i-'units) according to box 530 in FIG. 12 is determined the values in Table 7 as well as the

Ί
rechneten V/erte für R zusammengefaßt sind.
Ί
calculated values for R are combined.

ZZ TabcTabc PP. lie 7lie 7 R1 R 1 üinheitunit 00 1,01.0 r . 102 r. 10 2 1,901.90 00 0,05780.0578 1,071.07 0,220.22 1,781.78 II. 0,1120.112 1,211.21 0,1800.180 1,571.57 IIII 0,1640.164 1,361.36 0,1500.150 1,401.40 IiIII 0,2120.212 1,531.53 0,1260.126 1,241.24 IVIV 0,2570.257 1,701.70 0,1060.106 1,121.12 VV 0,3000.300 1,901.90 0,0900.090 1,01.0 VIVI 0,0760.076

Den obigen Angaben wurden sechs V/ärmeaustauschereinheiten mit bestimmten Dimensionen zugrunde gelegt. Dies führt zu dem Wert N in Kästchen 380 nach Fig. 3 wie auch zu den Dimensionen und Werten des Kästchens 120 und 150 der Fig. 3 und gestattet die Berechnungen, deren Werte in Tabelle 7 zusammengefaßt sind für Kästchen 180 der Fig. 3· Die Daten für die Konstruktion der Wärmeaustauschereinheiten,.wie Wanddicke (Kästchen 150 in Fig. 3)| müssen berechnet werden, um zu den Ergebnissen und anderen .Parametern zu kommen. Die angenommenen V/erte sind in Tabelle 8 aufgeführt, und zwar in Bezug auf die in Tabelle 1 gegebenen Symbole. Der die Umsetzungsgeschwindigkeit regelnde Reaktionspartner ist CO und Werte für C , - /dH usw. beziehen sich darauf. The above information was provided with six V / heat exchanger units based on certain dimensions. This leads to the value N in box 380 of FIG. 3 as well as to the dimensions and Values of box 120 and 150 of Figure 3 and permits the calculations, the values of which are summarized in Table 7 for Box 180 of Fig. 3 · The data for the construction of the heat exchanger units, such as wall thickness (box 150 in Fig. 3) | must be calculated in order to get to the results and other .parameters. The assumed values are given in Table 8 in relation to the symbols given in Table 1. The reaction partner regulating the rate of conversion is CO and values for C, - / dH etc. relate to it.

- 42 - - 42 -

809882/0933809882/0933

23272342327234

Tabelle 8Table 8

C0 6,12 . 1Ο"4 g-Mol/cm3 C 0 6.12. 1Ο " 4 g-mol / cm 3

G 4,61 . 10""4 g-Mol/cm3 G 4.61. 10 "" 4 g-mol / cm 3

Z 0,30Z 0.30

F 5,77 . 1O5 g-Mol/dF 5.77. 10 5 g-moles / d

% 7,52 g/g-Mol% 7.52 g / g-mol

-idH 24,450 cal/g-Mol-idH 24,450 cal / g-mole

/5T 1,31 g/cm3 / 5 T 1.31 g / cm 3

£ 0,50£ 0.50

Dp 0,95 cmDp 0.95 cm

kR 0,129 s~1 k R 0.129 s ~ 1

CpH 7,60 cal/g . grdC pH 7.60 cal / g. grd

CpC 7,60 cal/g . grdC pC 7.60 cal / g. grd

fj-g 3,46 . 10" g/cm . s fj-g 3.46. 10 "g / cm. S

/;c 2,18 . 10 g/cm . s/; c 2.18. 10 g / cm. s

KH 5,95 . 10~4 cal 2 grd K H 5.95. 10 ~ 4 cal 2 deg

- — cm- - cm

Kc 2,57 . 10 ^ cal 2 grd K c 2.57. 10 ^ cal 2 grd

s. cm " cms. cm "cm

M0 7,52 g/g-MolM 0 7.52 g / g-mol

pH 2,85 . 10"2 g/cm3 p H 2.85. 10 " 2 g / cm 3

pc 7,22 . 10"2 g/cm3 p c 7.22. 10 " 2 g / cm 3

Unter der oben angegebenen Annahme, daß die wellenförmigen Erhebungen in jeder Wärmeaustausehereinheit die gleichen Proportionen haben als in den vorhergehenden Beispielen, werden durch wiederholte Berechnungen die Dimensionen der Erhebungen entsprechend Tabelle 9 ermittelt.On the assumption given above that the wavy Elevations in each heat exchanger unit have the same proportions have than in the previous examples, the dimensions of the elevations are determined by repeated calculations determined according to Table 9.

Tabelle 9Table 9 cmcm 1,01.0 cmcm 9,739.73 cmcm 5,055.05 4,704.70

809882/0S33809882 / 0S33

3,583.58 cmcm 3,933.93 cmcm 1,57
1,34
1,76
1.57
1.34
1.76
cm
cm"
cm"
cm
cm"
cm"
0,1110.111 0,1630.163 4,054.05 1,681.68 0,11
3,44
0.11
3.44
1n-3 cal
* IU s.cm
1n -3 cal
* IU s.cm

"cm"cm

Aus diesen Daten lassen sich die in Tabelle 10 angegebenen Werte berechnen für die Symbole, wie sie in Tabelle 2 beschrieben sind.The values given in Table 10 for the symbols as described in Table 2 can be calculated from this data are.

TabelleTabel

% 195°C% 195 ° C

Tr 9°CT r 9 ° C

U„ 6,37 . 10 cal/s . cm . grdU "6.37. 10 cal / s. cm. grd

Uc 8,36 . 10 cal/s . cm . grdU c 8.36. 10 cal / s. cm. grd

TH 39,6 sT H 39.6 s

rc 38,4 sr c 38.4 s

SC/SH 0,762S C / S H 0.762

\)H/0c 2,61\) H / 0 c 2.61

Im Sinne des Beispiels 1 zur Durchführung der Berechnungen nach der Erfindung werden die Werte entsprechend denen der Tabelle 4 ermittelt und in der Tabelle 11 zusanunengefaßt.In the sense of Example 1 for carrying out the calculations according to the invention, the values are corresponding to those of Table 4 determined and summarized in Table 11.

809882/0933809882/0933

20279342027934

SASA 2
. cm .
2
. cm.
grdgrd
Tabelle 11Table 11 0,3570.357 0,3570.357 0,3570.357 1,0311.031 1,01.0 39,6 s39.6 s 2
. cm .
2
. cm.
grdgrd
6,37 . 10~4 cal/s6.37. 10 ~ 4 cal / s 2
. cm
2
. cm
grdgrd
4,75 cm/s4.75 cm / s 4,63 cm/s4.63 cm / s 20622062 361361 0,680.68 0,410.41 6,50 . 10"·5 cal/s6.50. 10 "x 5 cal / s 1,82 . 10~3 cal/s1.82. 10 ~ 3 cal / s

■%■■% ■

r a r a

GLGL

UH VC VH ReC ReH U H V C V H R eC R eH

Unter Verwendung der Daten aus den Tabellen 9, 10 und 11 werden Berechnungen angestellt, um zu zeigen, daß die ursprünglich angegebenen Dimensionen hinsichtlich Ausbeute, Größe des Turms und Anzahl der Einheiten tatsächlich durch diese Berechnungen sich ergeben. Dies ist in Beispiel 1 und Tabelle 5 beschrieben. Die Daten werden in der Tabelle 12 zusammengefaßt.Using the data from Tables 9, 10 and 11 will be Calculations made to show that the originally given dimensions in terms of yield, size of the tower and number of units actually result from these calculations. This is described in Example 1 and Table 5. The data are summarized in Table 12.

L XL X

AXH AXC A XH A XC

TabelleTabel 12 .12th 8,67 .8.67. 105 cm3 10 5 cm 3 3,32 .3.32. 105 cm3 10 5 cm 3 365 cm365 cm 60,9 cm60.9 cm 2369 cm2369 cm 22 907 cm2 907 cm 2 2,00 .2.00. 105 g-Mol/d10 5 g-moles / d 66th 569 kg569 kg

809882/0933 - 45 -809882/0933 - 45 -

2027S342027S34

Daraus ergibt sich, daß die Anlage zur Herstellung von Methanol aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff mit der gewünschten Geschwindigkeit in der Lage ist.It follows that the plant for the production of methanol from carbon monoxide and hydrogen at the desired rate be able to.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anlage ergeben sich durch Vergleich mit einer Anlage bei Variation der Katalysatorkonzentration unter Verwendung von Rohrbündeln, umgeben von einer siedenden Wärmeaustauscherflüssigkeit(P. H. Calderbank, A. Caldwell und G. Ross, Chimie et Industrie-Genie Chimique, Bd. 101, S. 215-230 (196g)). Der Vergleich kann durchgeführt werden mit dem gesamten Katalysatorvolumen, d. h. dem Volumen des Katalysators einschließlich des Verdünnungsmittels. Je größer dieses Gesamtvolumen ist, d. h. je verdünnter der Katalysator ist, ein umso größeres Volumen benötigt man für die gleiche Leistung. Die Ergebnisse nach Calderbank et al. werden ausgedrückt durch den Katalysatorverdünnungsfaktor R , der in Beziehung steht zu den Werten von P nachThe advantages of the plant according to the invention result from a comparison with a plant when the catalyst concentration is varied using tube bundles surrounded by a boiling heat exchanger liquid (P. H. Calderbank, A. Caldwell and G. Ross, Chimie et Industrie-Genie Chimique, Vol. 101, pp. 215-230 (196g)). The comparison can be carried out are with the total catalyst volume, i. H. the volume of the catalyst including the diluent. The bigger this total volume is, d. H. the more dilute the catalyst, the greater the volume required for it Power. The results according to Calderbank et al. are expressed by the catalyst dilution factor R, which is in relation lags behind the values of P.

pt p t

|T ι (3-12)| T ι (3-12)

worin P1- der Wert von P am Austrittsende des Reaktors ist. Diewhere P 1 - is the value of P at the exit end of the reactor. the

1
Werte für R in vorliegendem Beispiel werden errechnet und sind in der Tabelle 7 zusammengefaßt. Die Werte für nach Calderbank et al. sind an der Eintrittsseite 2,6 at , in der Mitte 1,8 at und an der Austrittsseite 1 at. In dem Diagramm der Fig. 13 sind die Werte aus der Tabelle 7 als Kurve A und die nach Calderbank als Kurve B eingetragen, und zwar in einem Diagramm, dem auf der Abszisse die Einheiten in dem Beispiel oder der
1
Values for R in the present example are calculated and are summarized in Table 7. According to Calderbank et al. are 2.6 at on the inlet side, 1.8 at in the middle and 1 at on the outlet side. In the diagram of FIG. 13, the values from Table 7 are entered as curve A and those according to Calderbank as curve B, and in a diagram with the units in the example or the

dimensionslose Abstand,der 1 ist, am Ende der Einheit VI gegendimensionless distance, which is 1, at the end of the unit against VI

1 aufgetragen sind , „1 are applied, "

die Werte von R auf der Ordinate/. Die Kurve A zeigt die stufenweise Änderung des Verdünnungsfaktors R , da für jede Einheit angenommen wird, daÜi/gleiche Katalysatormenge vorliegt. Die Kurve B zeigt eine gerade Linie, da anscheinend Calderbank et al. eine mehr graduelle Änderung der Katalysatormenge beabsichtigte. Derthe values of R on the ordinate /. The curve A shows the gradual Change of the dilution factor R, since it is assumed for each unit that the same amount of catalyst is present. The curve B shows a straight line since it appears that Calderbank et al. intended a more gradual change in the amount of the catalyst. Of the

- 46 809882/0933 - 46 809882/0933

2827S342827S34

untere Teil der Kurve A zeigt, daß ausreichend Katalysator für den angestrebten Umsetzungsgrad in einem geringeren Volumen als bei der Vergleichsvorrichtung enthalten ist. Dies wird angenommen wegen der größeren Wirksamkeiten der Wärmeaustauschereinheiten und der Regelmöglichkeit durch das erfindungsgemäße Verfahren.lower part of curve A shows that sufficient catalyst for the desired degree of conversion in a lower Volume than in the comparison device is included. This is believed because of the greater effectiveness of the Heat exchanger units and the possibility of regulation by the method according to the invention.

0 9 8 8 2/09330 9 8 8 2/0933

e e r s e ι ϊ ee e r s e ι ϊ e

Claims (1)

PatentansprücheClaims (-.AH)C(-.AH) C H ΔΗH ΔΗ Jc J c S1 S,S 1 S, Eintrittstemperatur der Reaktionspartner Eintrittstemperatur des Kühlmittels ReaktionswärmeEntry temperature of the reactants Inlet temperature of the coolant heat of reaction Anfangskonzentration (des) der Reaktionspartner(s) gesamter Wärmeübergangskoeffizient an der ReaktionsseiteInitial concentration (des) of the reactant (s) total heat transfer coefficient at the Response page gesamter Wärmeübergangskoeffizient an der Kühlseite Durchsatz an der Reaktionsseite Durchsatz an der Kühlseitetotal heat transfer coefficient on the cooling side, throughput on the reaction side Throughput on the cooling side ■wärmeübertragende Fläche an der Reaktionsseite wärmeübertragende Fläche an der Kühlseite freies Volumen an der Reaktionsseite■ heat-transferring surface on the reaction side heat-transferring surface on the cooling side, free volume on the reaction side -2--2- 809882/0933809882/0933 OfttGINAL INSPECTEDOften GINAL INSPECTED 29278342927834 ausschließlich des feinteiligen Katalysators Dc = freies Volumen an der Kühlseite -,Cn= Dichte . Wärmekapazität des Kühlmittelsexcluding the finely divided catalyst D c = free volume on the cooling side -, C n = density. Heat capacity of the coolant und die Beziehung von der Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung und der Konzentration der Reaktionspartner eine di rekte Funktion von Un und dem Verhältnis Tn/V„ ist,and the relationship between the rate of heat release and the concentration of the reactants is a direct function of U n and the ratio T n / V " , O L rlO L rl 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit Zuleitungen und Ableitungen für die Reaktionspartner, Reaktionsmasse und Kühlmedium, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Wärmeaustauschereinheiten mit zwei Gruppen von Durchgängen, von denen die eine Gruppe der Durchgänge die Reaktionszone und die andere Gruppe der Durchgänge für das Kühlmedium vorgesehen ist und diese beiden Gruppen von Durchgängen so angeordnet sind, daß die Strömungsrichtung in ihnen im Gleichstrom oder Pseudogleichstrom sind.2. Device for performing the method according to claim 1 with feed lines and discharge lines for the reactants, Reaction mass and cooling medium, characterized by one or more heat exchanger units with two groups of passages, one group of passages for the reaction zone and the other group of passages for the cooling medium is provided and these two groups of passages are arranged so that the direction of flow in them are in direct current or pseudo direct current. 3 ο Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschereinheiten Kreuzstrom-Wärmeaustauscher sind. 3 ο device according to claim 2, characterized in that the heat exchanger units are cross-flow heat exchangers. 4O Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Reaktionszone mit Katalysator imprägnierte Pellets oder der Katalysator an den Wänden der ersten Gruppe der Durchgänge befindet.4 O device according to claim 2 or 3, characterized in that pellets impregnated with catalyst or the catalyst are located on the walls of the first group of passages in the reaction zone. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß in der ersten Gruppe der Durchgänge unterschiedliche Katalysatorkonzentrationen zur Veränderung der Reaktionskinetik für Reaktionen erster Ordnung vorliegen.5. Apparatus according to claim 2 to 4, characterized in that in the first group of Runs through different catalyst concentrations to change the reaction kinetics for reactions first In order. - 3 8 0 9882/0933- 3 8 0 9882/0933 6ο Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Katalysatorkonzentration in der Strömungsrichtung ansteigt.6ο device according to claim 5, characterized in that the catalyst concentration increases in the direction of flow. 7c Vorrichtung nach Anspruch 2 Ms 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest vier Kreuzstrom-Wärmeaustauschereinheiten hintereinander mit steigenden Katalysatorkonzentrationen angeordnet sind0 7c apparatus according to claim 2 Ms 6, characterized in that at least four cross-flow heat exchanger units are arranged in succession with increasing catalyst concentrations 0 8ο Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7 für die katalytische Umsetzung von mindestens einer Reaktionskomponente bei einer Geschwindigkeitskonstante kR, gekennzeichnet durch eine Reaktionszone in Form von zumindest einer Gruppe von Durchgängen innerhalb von zumindest zwei Kreuzstrom-Wärmeaustauschern, in denen sich der Katalysator befindet, und im rechten Winkel dazu eine zweite Gruppe von Durchgängen für das Kühlmittelo 8ο Device according to claim 2 to 7 for the catalytic conversion of at least one reaction component at a rate constant k R , characterized by a reaction zone in the form of at least one group of passages within at least two cross-flow heat exchangers, in which the catalyst is located, and in a second group of passages for the coolant o 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η ζ e ichnet , daß zumindest zwei Wärmeaustauschereinheiten übereinander angeordnet sind, die Gruppen der Durchgänge zueinander senkrecht stehen und zwischen den Einheiten sich Leitorgane für den Eintritt der aus der einen Einheit austretenden und die andere aee Einheit eintretenden Strömung vorgesehen sindo 9. The device according to claim 8, characterized geke η η ζ e ichnet that at least two heat exchanger units are arranged one above the other, the groups of passages are perpendicular to each other and between the units there are guide elements for the entry of the emerging from one unit and the other aee unit incoming flow are provided o 10c Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 für die Herstellung von Methanol aus CO + Hg, wobei die Regelgröße die Anfangskonzentration an CO ist, insbesondere mit zumindest zwei Kreuzstrom-Wärmeaustauschereinheiten. 10c application of the method and the device according to Claims 1 to 9 for the production of methanol from CO + Hg, the controlled variable being the initial concentration of CO, especially with at least two cross-flow heat exchanger units. .11«, = Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Katalysator Pellets .11 «, = device according to claim 10, characterized in that the catalyst is pellets 809882/0933809882/0933 von ZnO-Cr2O-, oder ZnO-CuO-Cr2O-, mit Verdünnungsmittel ist und in Strömungsrichtung die Konzentration an Verdünnungsmittel abnimmt„of ZnO-Cr 2 O-, or ZnO-CuO-Cr 2 O-, with diluent and the concentration of diluent decreases in the direction of flow " 120 Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung zumindest teilweise mit Hilfe der Reaktionsgase stattfindet.12 0 device according to claim 11, characterized in that the cooling takes place at least partially with the aid of the reaction gases. 809882/0933809882/0933
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