DE3929413A1 - Reaktor zum adiabatischen durchfuehren katalytischer prozesse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zum Umsetzen von durch eine Einspeiseleitung zugeführtem, gas- oder dampfförmigem oder flüssigem Einsatzmaterial an einem Katalysator, der in einem Behälter angeordnet ist.

Reaktoren für katalytische Prozesse, die innerhalb einer wärmeisolierenden Umhüllung ablaufen, sind bekannt. Hierbei ist aber nicht gewährleistet, daß die Temperatur im Eintrittsbereich des Katalysators genau einstellbar ist und während des Betriebes weitgehend gleich bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Reaktor zu schaffen, bei welchem sich die Entrittstemperatur im Katalysatorbett während des ganzen Betriebes genau kontrollieren läßt, ohne daß ein nennenswerter Austausch von Reaktionswärme mit der Umgebung stattfindet. Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, daß der Behälter von einem Flüssigkeitsmantel umgeben ist und die Einspeiseleitung im Flüssigkeitsmantel verläuft. Der Flüssigkeitsmantel sorgt für einen wirksamen Temperaturausgleich und bringt das Einsatzmaterial in der Einspeiseleitung auf die gewünschte Temperatur.

Um die Temperaturkonstanz des Einsatzmaterials vor Eintritt in den Katalysator noch zu verbessern, enthält der Katalysatorbehälter vorzugsweise eine Schicht aus Inertmaterial und die Einspeiseleitung mündet in der Nähe dieser Schicht. Die Schicht aus Inertmaterial ist ebenfalls vom Flüssigkeitsmantel umgeben und wird dadurch auf der gleichen Temperatur gehalten, die in der obersten Katalysatorschicht herrscht. Das Einsatzmaterial, dessen Temperatur durch den indirekten Wärmeaustausch im Flüssigkeitsmantel bereits nahezu eingestellt ist, strömt zunächst durch die Schicht aus Inertmaterial, in welcher die Temperatur der in der obersten Katalysatorschicht herrschenden Temperatur völlig angeglichen wird. Anschließend an die Schicht aus Inertmaterial strömt das Einsatzmaterial durch den Katalysator.

Falls erforderlich, kann der Flüssigkeitsmantel mit einer Beheizung versehen sein. Zweckmäßig ist es auch, die Flüssigkeit im Flüssigkeitsmantel umzupumpen, um für eine rasche Vergleichmäßigung der Temperatur im Flüssigkeitsmantel zu sorgen.

Zweckmäßigerweise ist der Behälter im Bereich des Katalysators von einer thermisch isolierenden Schicht umgeben. Die Isolierschicht sichert den adiabatischen Ablauf der Reaktion am Katalysator, d.h. sie verhindert weitgehend den Austausch von Wärme mit der Umgebung. Dadurch wird die Temperatur im Katalysatorbett nur von der entstehenden oder verbrauchten Reaktionswärme beeinflußt. Da die Reaktionsgeschwindigkeit und z.B. auch die Selektivität sehr temperaturabhängig sind, kann der Ablauf eines chemischen Prozesses in einem bereits durch seine Größe adiabat arbeitenden industriellen Schachtreaktor im erfindungsgemäßen Reaktor im Labormaßstab simuliert werden.

Der Reaktor eignet sich nicht nur für Arbeiten im Labormaßstab, sondern auch für Technikums- und Pilotanlagen. Für Produktionsanlagen kann der Reaktor ebenfalls verwendet werden.

Mit Hilfe der Zeichnung, die einen Längsschnitt durch den Reaktor in schematischer Darstellung wiedergibt, werden Ausgestaltungsmöglichkeiten des Reaktors erläutert.

In einem Behälter (1) befindet sich ein Bett (2) aus körnigem Katalysatormaterial auf einem Rost (3). Über dem Katalysatorbett (2) ist eine Schicht (4) aus inertem Granulat, z.B. Kugeln aus Glas oder Keramik, angeordnet. Der Behälter hat die Form eines Rohres, das am oberen Ende mit einem Deckel (6) verschlossen ist und am unteren Ende einen Produktauslaß (7) aufweist. Der Behälter besteht aus gut leitendem Material, z.B. Stahl oder einer Metallegierung.

Im Bereich des Katalysatorbettes (2) ist um den rohrförmigen Behälter (1) eine thermisch isolierende Schicht (9) angeordnet, wobei es sich z.B. um einen Asbest- oder Kunststoffmantel handeln kann. Ein Außenbehälter (10) ist in dem Ringraum (11), den er umschließt, mit Wärmeübertragungsflüssigkeit gefüllt, so daß der Behälter (1) von einem Flüssigkeitsmantel umgeben ist. Bei der Wärmeübertragungsflüssigkeit kann es sich z.B. um Wasser, Thermoöl oder um eine Salzschmelze handeln. Im Ringraum (11) verläuft die Einspeiseleitung (12) für das umzusetzende Einsatzmaterial, diese Leitung (12) ist wendelförmig um den oberen Bereich des Behälters (1) geführt und tritt mit dem Mündungsende (13) in das Innere des Behälters. Während das Einsatzmaterial durch die Leitung (12) strömt, wird es durch indirekten Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit im Ringraum (11) annähernd auf deren Temperatur gebracht, die restliche Temperatureinstellung erfolgt beim Durchgang des Einsatzmaterials von oben nach unten durch die Schicht (4) aus Inertmaterial. Auf diese Weise wird die Temperatur in der obersten Schicht des Katalysatorbettes (2) genau eingestellt und konstant gehalten.

Zum Beeinflussen der Temperatur im Katalysatorbett (2) und zum Ausgleichen von Wärmeverlusten kann man im Ringraum (11) eine von der Wärmeübertragungsflüssigkeit umspülte Beheizung (15) anbringen. Diese Beheizung, die in der Zeichnung nur schematisch angedeutet ist, kann z.B. aus elektrischen Wicklungen bestehen und an jeder beliebigen Stelle des Ringraums (11) angeordnet sein.

Besonders bei der Verwendung von Thermoöl oder einer Salzschmelze kann es zweckmäßig sein, die Temperaturübertragungsflüssigkeit im Ringraum (11) umzupumpen. Eine einfache Pumpeinrichtung besteht aus einem Gebläse (16), durch welches über eine Leitung (17) Inertgas, z.B. Stickstoff, aufwärts durch die Flüssigkeit geleitet wird. Dieses Gas zieht durch einen zum Außenmantel (10) gehörigen Rohrstutzen (18) nach außen ab. Die aufwärts strömenden Gasblasen nehmen nach dem Mammutpumpenprinzip Flüssigkeit mit, wodurch eine im allgemeinen ausreichende Umwälzung der Flüssigkeit erreicht wird. Wenn es sich bei der Flüssigkeit um Wasser handelt, das im Ringraum (11) siedet, ist eine Pumpeinrichtung nicht erforderlich, weil die aufsteigenden Dampfblasen für die ausreichende Umwälzung des Wassers sorgen. Der Rohrstutzen (18) dient dann der Dampfableitung und der Ringraum (11) muß mit einer Einspeiseleitung für Wasser versehen werden, die in der Zeichnung weggelassen wurde.

Für den Reaktor sind vielfältige Anwendungsmöglichkeiten denkbar. Als Einsatzmaterial kommen z.B. kurzkettige Olefine in Frage, die katalytisch oligomerisiert werden, wobei der Polymerisationsgrad vom Temperaturverlauf im Katalysatorbett sehr abhängig ist. Ganz allgemein kann der Reaktor für Untersuchungen in stark verkleinertem Maßstab eingesetzt werden, wo der zu simulierende industrielle Prozeß in Schachtreaktoren oder Etagenreaktoren, also ohne Kühlung oder Wärmeaustausch abläuft. Als Beispiele seien die selektive Hydrierung von Doppelbindungen, oxidative Dehydrierungen, die selektive Oxidation, die Methanolsynthese und die Homologisierung von Methanol sowie die Koproduktion von höheren Alkoholen und Methanol genannt.

Claims (6)

1. Reaktor zum Umsetzen von durch eine Einspeiseleitung zugeführtem, gas- oder dampfförmigem oder flüssigem Einsatzmaterial an einem Katalysator, der in einem Behälter angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter von einem Flüssigkeitsmantel umgeben ist und die Einspeiseleitung im Flüssigkeitsmantel verläuft.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorbehälter eine Schicht aus Inertmaterial enthält und die Einspeiseleitung in der Nähe dieser Schicht mündet.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsmantel mit einer Beheizung versehen ist.

4. Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsmantel mit einer Pumpeinrichtung versehen ist.

5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtung aus einer Leitung für die Gaszufuhr besteht und der Flüssigkeitsmantel am oberen Ende einen Gasauslaß aufweist.

6. Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter im Bereich des Katalysators eine thermisch isolierende Schicht aufweist.