DE2849664A1 - Verfahren und anordnung zum beschicken von rohrreaktoren mit koernigen feststoffen, insbesondere katalysatoren - Google Patents

Verfahren und anordnung zum beschicken von rohrreaktoren mit koernigen feststoffen, insbesondere katalysatoren

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Description

BASF" Aktiengesellschaft -/- O. Z. 0050/Ό33517
■Verfahren und Anordnung zum Beschicken von Rohrreaktoren mit körnigen Feststoffen, insbesondere Katalysatoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum raschen Beschicken einer Vielzahl von Rohren in Rohrreaktoren mit körnigen Feststoffenj vorzugsweise mit Katalysatoren, und im besonderen mit mindestens zwei Arten von Feststoffen mit jeweils unterschiedlicher Wirkung, Zusammensetzung und/oder Beschaffenheit, sowie die Anordnung von Vorratsbehältern, 4Q Meß- und Leitvorrichtungen zur Ausführung dieses Verfahrens. .
Die selektive Oxidation von Kohlenwasserstoffen an Festbett-Katalysatorschüttungen ist ein häufig angewendetes
1g Verfahren. Reaktionen, wie z.B. die Herstellung von Maleinsäureanhydrid aus Butenen oder Butanen, vom Phthalsäureanhydrid aus o-Xylol, - von Äthylenoxid aus Äthylen und von Acrylsäure aus Propylyl verlaufen stark exotherm. Für Ausführung dieser Verfahren in großtechnischem Maßstab werden
2Q Rohrbündelreaktoren mit bis zu 40 000 einzelnen Rohren eingesetzt. Die entstehende Wärme wird über einen Kühlmittelkreislauf abgeführt, der die Rohre außen umspült.
Seit Jahren sind für die zeitlich aufwendige Beschickung derartiger großtechnischer Reaktoren umfangreiche Untersuchungen im Gange. Das manuelle Befüllen erfordert einen hohen Zeitaufwand, da die einzelnen Rohre bezüglich der
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"Gesamtmenge und Schüttdichte des Katalysators reproduzier- Ί bar gleichmäßig gefüllt sein müssen. Die bisherigen Bestrebungen, diesen Füllvorgang weitestgehend mechanisch ablaufen zu lassen, lieferten nicht die erwarteten Ergebnisse. Katalysatorschüttungen bzw. Reaktxonsrohrfüllungen mit über die axialen Reaktorabmessungen konstantem Aktivitätsverlauf werden im allgemeinen wie folgt erzeugt:
Die Katalysatormenge pro Rohr wird einzeln durch Wägung portioniert und mit Hilfe eines Trichters eingefüllt. Durch langsames und vorsichtiges Einschütten des Katalysators kann eine Brückenbildung im Trichter und im Rohr weitgehend vermieden werden. Der Zeitbedarf zum Füllen eines Rohres beträgt nach den Erfahrungen an einer Versuchsanlage ca.
120 see, wenn drei Mann je 40 see tätig sind. Geschwindigkeitsbestimmend ist hierbei das Versetzen des Trichters und das Ausschütten des rieselfähigen Katalysators. Gleichzeitig erfolgt das Abwiegen und Portionieren sowie der Transport des Katalysators, das Zureichen und das Abdecken gefüllter Rohre. Bei sorgfältiger Arbeitsweise ist eine Korrektur der meßbaren Druckverluste der gefüllten Rohre im allgemeinen nur selten notwendig. - Für die Füllung eines Reaktors mit z.B. 22 000 Rohren resultieren nach dieser Zeitab Schätzung 735 Mannstunden. Da die räumlichen Verhältnisse über dem Rohrboden des Reaktors keinen hohen Personalaufwand erlauben, kann die Füllzeit eines, Reaktors nicht beliebig verkürzt werden.
Es ist andererseits aus DAS 20 56 6l4 (O.Z. 27 178) ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure durch Oxidation von Propylen in der Gasphase bekannt, bei dem man in beiden Stufen die Aktivität der Katalysatoren derart verändert, daß sie in Strömungsrichtung auf 100 % ansteigt und die in der zweiten Reaktionsstufe erhaltenen, von kondensierbaren Gasen weitgehend befreiten, Reaktionsabgase
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zum Teil in die erste Stufe zurückführt. Hierbei wird die • Verdünnung so durchgeführt, daß die Aktivität vom Eingang der Reaktionsrohre bis zum Ausgang stetig oder schrittweise auf 100 % ansteigt. Zweckmäßig geht man jedoch so vor, daß 100 % Aktivität schon vor dem Ende des Reaktionsrohres erreicht sind.—Ganz allgemein kann man die Herstellung von Katalysators chüt tungen derartig variabler Aktivität am einfachsten durch Mischen eines gleichmäßig wirksamen, homogenen Katalysators entweder mit einem anderen Kontaktstoff von anderer Aktivität oder mit einem inerten Material von vergleichbarer Korngröße durchführen. Aus Laboruntersuchungen sind die Vorteile solcher variabler Katalysatorschüttungen bekannt; sie konnten jedoch bisher großtechnisch nicht genutzt werden. Die obengenannten Schwierigkeiten, die schon bei der Füllung mit einem gleichmäßig wirksamen, homogenen Katalysator auftraten, machten es bisher unmöglich, eine Reaktorbeschickung mit kontinuierlich veränderlichem Aktivitätsprofil vorzunehmen. - Gelegentlich wurden in der Praxis schon diskontinuierlich verdünnte Katalysatorschüttungen eingesetzt. Dazu wurden 3 bis 15 Teilchargen mit jeweils unterschiedlichen Anteilen an Inertmaterial ubereinandergeschichtet. Die ausgewogenen Teilchargen wurden dann nach dem Mischen über einen Trichter in die Reaktorrohre eingefüllt. Diese Füllmethode hat jedoch wesentliehe Nachteile:
a) Die Befüllung eines großtechnischen Reaktors ist außerordentlich zeitaufwendig und daher meistens un-
. durchführbar.
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b) Die Druckverluste der einzelnen Rohre weisen untereinander zu große Unterschiede auf.
c) Das Mischen des Katalysators mit dem Inertmaterial bedeutet einen zusätzlichen Arbeitsgang.
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1Cl) Beim Mischen des Katalysators mit dem Inertmaterial Ί entsteht Abrieb, der seinerseits einen unerwünscht hohen Druckverlust beim Füllen verursacht.
e) Das entstehende Aktivitätsprofil ist nur quasi kontinuierlich.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein regelbares mechanisches Verfahren zum beschleunigten Beschicken der Rohre von Rohrreaktoren mit körnigen Feststoffen zu entwickeln, mit dem in Abhängigkeit von vorgegebenen Programmen sowohl konstante als auch unterschiedliche Aktivität sprofile, solche entweder über die Rohrlänge hinweg oder in bestimmten Rohrgruppen des gesamten Rohrbündels, gegeben sind, wobei in einer Anordnung zur Ausführung des Verfahrens die zu verändernde Bemessung des aus Vorratsbehältern zu entnehmenden unterschiedlichen Füllguts nicht wie bisher konsequent volumetrisch sondern vorzugsweise zeitlich variiert gravimetrisch ausgeführt werden soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß aus zwei bzw. mehreren Vorratsbehältern je ein homogener Stoffstrom kontinuierlich herausgeführt und je einer Meßvorrichtung zugeleitet wird, die die getrennten Stoffströme über je einen Regler zeitlich nach vorgegebenen Größen unterschiedlich bemißt, und daß sodann die kontinuierlich unterschiedlich bemessenen Stoffströme zusammengeführt und über mechanisch steuerbare Leitvorrichtungen in die zu füllenden Rohre eingebracht werden.
Eine Anordnung zur Ausführung dieses Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß aus durch einen mit Abstand über dem oberen Rohrboden des Reaktors lösbar montierten Zwischenboden, auf dem zentral eine trichterähnliche Leitvorrichtung mit mindestens zwei Ausläufen und einer diese Aus-
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laufe öffnenden bzw. sperrenden Weiche befestigt ist, wo- Ί bei mittels an die Ausläufe angeschlossener flexibler Schläuche die Öffnungen der Reaktorrohre nacheinander mit der Leitvorrichtung verbindbar sind, und daß oberhalb der zentral angeordneten Leitvorrichtung zwei oder mehrere aus zugehörigen Vorratsbehältern kontinuierlich beschickte Meßvorrichtungen, vorzugsweise Dosierbandwaagen, fixiert sind, die die· von zugehörigen Reglern nach vorgegebenen Programmen zeitlich veränderten Stoffströme in die darunter befindliehe Leitvorrichtung fortlaufend abwerfen. - Als zeit-■ lieh veränderbar zu steuernde Meßvorrichtungen für zwei oder mehrere Stoffströme kommen außer Dosierbandwaagen auch andere Dosiereinrichtungen in Betracht, z.B. Schneckendos ierwaagen , Differential-Dosierwaagen oder Schüttstrommesser, soweit sie die notwendige Voraussetzung eines zeitlich schnell verstellbaren Sollwerts erfüllen.
Die Erfindung ermöglicht es, auf wirtschaftliche Weise durch Mischen von unterschiedlich wirksamen Stoffen, insbesondere von Katalysatoren A und B, in einem zu füllenden Rohr oder in einer bestimmten Rohrgruppe des Bündels Schüttungen zu erzeugen, deren Aktivität sich aus dem Mischungsverhältnis der Stoffe ergibt. Nach diesem elementaren Zusammenhang ist es das wesentlichste Merkmal der Erfindung, zwei Massenströme A und B und gegebenenfalls weitere Massenströme c...η vor ihrem Zusammenführen und Mischen mit meß- und regeltechnischen Mitteln zeitlich rasch zu verändern. - Die einzelnen Massenströme a, b ... η sind mit den entsprechenden Volumenströmen über die jeweiligen Schüttdichten verknüpft, die in der Praxis näherungsweise als Konstante angenommen werden können. Mit Bezug auf ein in vertikaler Lage angeordnetes zu füllendes Reaktionsrohr läßt sich folgendes mathematisch nachweisen:
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Definiert man die örtliche Aktivitätsfunktion a (χ) in beliebiger axialer Höhe des Reaktionsrohres als Verhältnis von Katalysator-Volumenanteil A zu den Volumenanteilen von Katalysator A + Katalysator B und gibt diese als Ortsfunktion mathematisch vor, so besteht zwischen der Aktivitätsfunktion a (χ) und den zeitlich zuzudosierenden Massenströmen m. und nu (bzw. den entsprechenden Volumenströmen v.j Vg) ein eindeutiger mathematischer Zusammenhang. Die Verknüpfungsgleichungen sind lösbare partielle Differentialgleichungen mit den Variablen χ und t. Das bedeutet, daß die Massenströme mA (t) und mg (t) als Zeitfunktionen ermittelt werden können, wenn a (χ) und die Ortsgeometrie vorgegeben ist. - Dieser eindeutige mathematische Zusammenhang ist auch dann gegeben, wenn mehr als zwei Komponenten A und '° B zudosiert werden. Die Aktivitätsfunktion a (χ) kann dabei als beliebige Ortsfunktion vorgegeben werden.
Die Umsetzung dieser theoretischen Überlegungen in eine technisch anwendbare Anordnung zur mechanischen Befüllung der Reaktionsrohre verlangt eine hochgenaue Meß- bzw. Dosiereinrichtung zur Erzeugung der zeitlich veränderbaren Massenströme. Außerdem muß die Füllapparatur mit ihrer " Leit- und Verteilvorrichtung wiederum so ausgeführt sein, daß eine Vielzahl von Rohren in möglichst kurzer Zeit und mit technisch vertretbarem Aufwand gefüllt werden kann. Als steuerbare Meß- bzw. Dosiervorrichtungen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen im Prinzip sowohl volumetrisch als auch gravimetrisch arbeitende Systeme in Betracht. Bei den zur Erfindung hinführenden
Entwicklungsarbeiten haben sich jedoch rasch steuerbare gravimetrisch^ Meßvorrichtungen als überlegen erwiesen.
In der Figur ist eine Anordnung nach der Erfindung zur Ausführung des Verfahrens schematisch wiedergegeben und wird
nachfolgend näher beschrieben.
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/Aus Gründen der Vereinfachung ist die dargestellte Anord- Ί nung lediglich auf das zeitlich veränderte Dosieren und Mischen zweier Stoffströme a und b abgestellt. Es können jedoch auch mehr als zwei Vorratsbehälter und eine entsprechende Anzahl von zeitlich rasch veränderbaren Meßeinrich-■ tungen M1, M2 zu einer Punktionseinheit zusammengefügt werden, die dann z.B. drei oder vier Stoffströme in ein Misch- und Einfüllsystem einleiten.
Aus den Vorratsbehältern 1 und 2 werden die in die Reaktionsrohre 3 gemischt einzubringenden rieselfähigen, vorzugsweise körnigen Peststoffe A und B jeweils in eine unter den Bunkern befindliche Meßvorrichtung M1 und M2 eingebracht. Jede Meßvorrichtung enthält zur Aufrechterhaltung eines möglichst konstanten Mengenstroms a und b bis zum Transport auf die zugehörigen Wägeeinrichtungen 4 und 5 je eine an sich bekannte Vibrationsrinne 6 und 7. Die Vibrationsrinnen 6 und 7 garantieren im Zusammenwirken mit dem Transportband der Waagen 4 und 5 eine schonende Behandlung des in die Rohre einzubringenden Schüttgutes, vorzugsweise von Katalysatoren, mit wenig Abrieb. Als Wägeeinrichtungen werden vorzugsweise Dosierbandwaagen eingesetzt, wie sie mit den generellen baulichen Merkmalen etwa in der DE-PS 12 66 526 beschrieben sind. Für die vorliegenden Einsatzaufgaben ist es lediglich nötig, solche Waagen im Sinne der zeitabhängigen Programmsteuerung für einen rasch veränderbaren Sollwert einzurichten, insbesondere ihre Einschwingzeiten zu verkürzen.
Der gewünschte Massenfluß der' Stoffströrae a und b wird den Wägeeinrichtungen 4 und 5 als Sollwert vorgegeben. Die Pestlegung der gesamten Füllmenge für ein einzelnes Reaktionsrohr 3 wird nach einjustierter Förderleistung mit Hilfe eines Zeitgebers an der Programmsteuerung Pr voreingestellt. Das elektrische Ausgangssignal des Zeitgebers
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steuert dann eine Weiche 8 im oberen Bereich eines trich- "· terähnlichen Auslaufgefäßes 9 derart, daß entweder die Auslaufstutzen 9a oder 9b mit den von den Wägeeinrichtungen 4 und 5 abgeworfenen Stoffströmen a und b verbunden sind. Die Weiche 8 ist bei lediglich zwei Auslaufstutzen 9a, 9b zweckmäßig als Klappe ausgebildet, deren obere Kante sich an einem z.B. rechteckig ausgeführten Einlaufstutzen der trichterförmigen Sammelvorrichtung 9 dicht anlegt. Das Umschalten der Weiche 8 erfolgt in dem vorgewählten Zeitrhythmus. An den Auslauftrichter 9a, 9b sind flexible, zweckmäßig durchsichtige, Schläuche 10 befestigt, die auf die einzelnen Reaktionsrohre 3 aufgesetzt werden. Die Länge der Schläuche 10 ist so zu bemessen," daß ein möglichst großes Rohrbündel des Reaktors befüllt werden kann. Der maximale Wirkungsradius dieser Anordnung ist durch das Fließverhalten des Katalysators innerhalb der Schläuche 10 sowie durch den vertikalen Abstand y des Zwischenbodens 12 vom Rohrboden 13 gegeben und zweckmäßig durch Versuche zu ermitteln. Im übrigen wirken die trichterförmige Sammelvorrichtung 9 und die Schläuche 10 wie eine statische Mischstrecke. Zur besseren Mischung ist es möglich, in die Schläuche 10 Einbauelemente einzufügen, wie sie an statischen Mischern üblich sind. Die gesamte aus zwei oder mehreren Mischbunkern 1, 2 und einer entsprechenden Anzahl von Meß- bzw. Wägeeinrichtungen M1, M„ bestehende Füllvorrichtung wird zweckmäßig auf eine Bodenplatte 11 gesetzt, die zentral eine Öffnung besitzt, in der der obere Einlaufstutzen der trichterförmigen Mischvorrichtung 9 nut ihren unteren Ausläufen eingesetzt ist. Die gesamte Anordnung einschließlich der trichterförmigen Mischvorrichtung 9 kann dann nochmals auf den Zwischenboden 12 gesetzt werden, dessen Abstand y von den EinlaufÖffnungen der Reaktionsrohre am oberen Rohrboden 13 auch von den Außenabmessungen des Reaktors bestimmt wird.
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"Die in diesem Ausführungsbeispiel schematisch abgebildete Ί Apparatur zur Dosierung von zwei Komponenten kann ohne weiteres auch für die Dosierung einer größeren Anzahl von Komponenten eingesetzt werden. In diesem Fall werden die Vorratsbunker 1, 2 ... χ und die darunter befindlichen Wägeeinrichtungen M^, M2 ... Μχ z.B. in radialer Ausrichtung über der Grundplatte 11 angeordnet und die trichterförmige Einlaufvorrichtung 9 erhält als Weiche 8 ein rotierendes Element, wie es z.B. von Schleusenvorrichtungen her bekannt ist, Es kann ferner die Weiche 8 mit mehr als zwei Ausläufen in Verbindung gebracht werden, zwischen denen in Abhängigkeit vom vorgegebenen Programm cyclisch umgeschal-. tet wird. Die Einrichtung, wie oben beschrieben, bietet weiterhin den Vorteil, daß man an den flexiblen Schläuchen 10, an der Weiche 8 oder an den Wägeeinrichtungen 4 und15 Absaugeinrichtungen für einen Abrieb des transportierten Peststoffs .anbringen kann. Insbesondere für Katalysatoren ist eine Staubabsaugung wesentlich, um zusätzlichen Druckverlust in den Reaktionsrohren 3 zu unterbinden. Es ist ferner möglich, die Böden der Schüttelrinnen 6 und 7 mit Schlitzen zu versehen, so daß schon vor dem Aufbringen der Stoffströme a und b auf Transportbänder der Wägeeinrichtungen M1, M2 eine Aussiebung des Staubes erfolgt. Im allgemeinen wird es möglich sein, das Umsetzen der Füllschläuche 10 genügend rasch manuell vorzunehmen. Eine Mechanisierung des Umsetzens der Schläuche 10 ist jedoch ebenfalls möglich, hierfür bietet sich gegebenenfalls eine nach Koordinaten gesteuerte Umsetζeinrichtung an, die ,außerhalb des Umfangs der hier beschriebenen Erfindung liegt.
Zur Beschickung der Rohre eines Röhrenreaktors mit zwei oder mehr Arten von körnigen Feststoffen von unterschiedlicher Wirkung, Zusammensetzung und/oder Beschaffenheit als programmgesteuerte Mischung werden die zeitlich veränder-
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lichen Stoffströme a, b, ... η unter Berücksichtigung der jeweiligen Schüttdichten der einzelnen Stoffe den Reglern l4 und 15 der Wägeeinrichtungen IVL , M„ als Sollwert funkt ion vorgegeben. Nach dem Befüllen eines einzelnen Rohres wird mit Hilfe der Weiche 8 auf den jeweils anderen Auslaufstutzen 9a bzw. 9b umgeschaltet und sofort beginnt der Füllvorgang für das nächste Rohr. Die Steuerung der Weiche 8 erfolgt ebenfalls selbsttätig in Abhängigkeit von dem vorgewählten Programm. Sofern das umsetzen der Schläuche 10 manuell erfolgt, ist die Steuerung der Weiche 8 z.B. mit einem akustischen oder optischen Signal verbunden, welches dem Bedienungspersonal das notwendige Umsetzen des jeweiligen Schlauchs 10 anzeigt. Auf diese Weise stellt sich während des Befüllens eines Reaktors ein quasi kontinuierlicher Betriebsablauf des Füllvorganges ein. -
Der Zeitaufwand zur Befüllung eines Röhrenreaktors mit zwei oder mehr Arten von körnigen Feststoffen, vorzugsweise mit Katalysatoren, ist nach der Erfindung nur geringfügig höher als bei der Füllung des gleichen Reaktors mit nur einem homogenen Feststoff von gleichen Fließ- bzw. Rieseleigenschaften. Als besondere Anwendung der Erfindung kommt die Befüllung eines Röhrenreaktors mit vielen tausend Einzelrohren in Betracht, bei der über die Rohrlänge hinweg oder für bestimmte Rohrgruppen innerhalb des gesamten Rohrbündels bestimmte Temperaturprofile gefahren werden sollen. In einem solchen Fall ist z.B. der aus dem Vorratsbunker 2 zu entnehmende Stoffstrom b ein Verdünnungsmittel für den aus dem Vorratsbunker 1 zu entnehmenden Stoff st rom a.
Zeichn.
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Claims (1)

  1. BASF Aktiengesellschaft 0. Z. OO5O/O33517
    'Patentansprüche
    1« Verfahren zum Beschicken einer Vielzahl von Rohren in Rohrreaktoren mit körnigen Feststoffen, vorzugsweise mit Katalysatoren, bei dem zwei oder mehrere Sorten solcher Peststoffe von jeweils unterschiedlicher Wirkung, Zusammensetzung oder/und Beschaffenheit als Mischung in ein Einzelrohr oder eine Rohrgruppe einzubringen sind, dadurch gekennzeichnet, daß aus zwei bzw. mehreren Vorratsbehältern (1, 2) je ein homogener Stoffstrom kontinuierlich herausgeführt und je einer Meßvorrichtung (M1, M2) zugeleitet wird, die die getrennten Stoff ströme (a, b) über je einen Regler (14, 15) zeitlich nach vorgegebenen Größen unterschiedlich bemißt und daß sodann die kontinuierlich unterschiedlich bemessenen Stoffströme zusammengeführt und über mechanisch steuerbare Leitvorrichtungen (8, 9) in die zu füllenden Rohre (3) eingebracht werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die- zusammengeführten, mehr oder weniger unterschiedlich bemessenen Stoffströme (a, b) vor dem Einbringen in die Rohre (3) durch eine Mischstrecke (10) geführt werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Vorratsbehältern (A, B) kontinuierlich herausgeführten homogenen Stoffströme (a, b) je einer . nach vorgegebenem Programm gesteuerten Dosierbandwaage (M1, M2) zugeleitet werden, wobei die diesen Waagen zugeordneten Regler (14, 15) die getrennt zu bemessenen und nachfolgend zusammenzuführenden Stoffströme die Bandlaufgeschwindigkeiten der Dosierbandwaagen beeinflussen, insbesondere variieren.
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    ^4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich- Ί net, daß der eine Stoffstrom (b) ein inertes Verdünnungsmittel für einen oder mehrere andere homogene Stoffströme (a, aT) ist.
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    5. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mit Abstand über dem oberen Rohrboden (13) des Reaktors montierten Zwischenboden (12), auf dem zentral eine trichterähnliche Leitvorrichtung (9) mit mindestens zwei Ausläufen (9a, 9b) und einer diese Ausläufe öffnenden bzw. sperrenden Weiche (8) befestigt ist, wobei mittels an die Ausläufe angeschlossener flexibler Schläuche (10) die öffnungen der Reaktorrohre (3) nacheinander mit der Leitvorrichtung verbindbar sind, und daß oberhalb der zentral angeordneten Leitvorrichtung zwei oder mehrere aus zugehörigen Vorratsbehältern (A, B) kontinuierlich beschickte Meßvorrichtungen (M1, Mp) vorzugsweise Dosierbandwaagen, fixiert sind, die die von zugehörigen Reglern (14, 15) nach vorgegebenem Programm zeitlich veränderten Stoffströme (a, b) in die darunter befindliche Leitvorrichtung fortlaufend abwerfen.
    6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiche (8) in der Leitvorrichtung (9) in die Programmsteuerung einbezogen ist.
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