DE4243424A1

DE4243424A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reaktionsführung in Schlaufenreaktoren mit Wabenkörpern

Info

Publication number: DE4243424A1
Application number: DE19924243424
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof Dr Stach; Kurt Dr Winkler
Original assignee: AUF ADLERSHOFER UMWELTSCHUTZTE
Current assignee: AUF ADLERSHOFER UMWELTSCHUTZTE
Priority date: 1992-12-16
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 1994-06-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reak tionsführung in Schlaufenreaktoren mit Wabenkörpern, wobei eine flüssige Phase mit gasförmig-flüssigen Medien in Kontakt gebracht wird.

Es ist bereits eine Vielzahl von Gas-Flüssigkeits-Reaktoren be kannt, bei denen die Druckenergie eines Gases und/oder der Flüs sigkeit in geeigneten Dispergiervorrichtungen dazu genutzt wird, einerseits eine intensive Zerteilung der Phasen zur Erzielung eines effektiven Stoffaustausches zwischen ihnen herbeizuführen und andererseits einen schlaufenförmigen Antrieb der Flüssigkeit, ihre gezielte Rezirkulation im Reaktor, zu bewirken. Zu diesem Ziel werden Leiteinrichtungen im aktiven Reaktorvolumen eingesetzt, die insbesondere die Aufgabe haben, das hydrodynamisch bedingte Ver weilzeitspektrum der Phasenanteile dem Zeitablauf von Reaktions prozessen zwischen Einsatz-, Zwischen- und Zielprodukten zur Er reichung hoher Raum-Zeit-Ausbeuten anzupassen (vgl. W.-D. Deckwer, Reaktionstechnik in Blasensäulen, O. Salle Verlag/Verlag Sauerlän der, Frankfurt/Main 1985).

Eine große Zahl dieser Reaktionsprozesse, wie Hydrogenierung, Oxi dation und Carbonylierung verlaufen effektiv lediglich an Edelme tallkatalysatoren. Zum Stand der Technik auf dem Gebiet der Kata lysatorträger gehören ebenfalls monolithische Wabenkörper, an deren Oberfläche Edelmetallkatalysatoren fixiert sind (vgl. Ch. N. Sat terfield, Heterogeneous Catalysis in Practice, McGraw-Hill Book Comp. 1980).

Bei Reaktionen in flüssiger Phase hat der Stofftransport zur kata lytisch wirkenden Oberfläche des Trägers hin sowie die Adsorption von Einsatz- oder Zwischenprodukten an dessen aktiven Zentren einen wichtigen Einfluß auf den Stoffumsatz im Reaktor. Mit der Intensi vierung dieses Transporteffektes, z. B. durch Erhöhung der Intensi tät des Kontaktes zwischen Flüssigkeit und Katalysator infolge Er höhung der Strömungsgeschwindigkeit an der Oberfläche, kann dessen unerwünschter Einfluß, d. h. die Verminderung des Reaktionsumsatzes, eingeschränkt werden. Bei ausreichend schnell ablaufenden Reaktio nen ist dabei für einen hohen Umsatz eine nur kurze Laufstrecke des flüssigen bzw. in der Flüssigkeit gelösten Reaktanden an der Kata lysatoroberfläche erforderlich, d. h. insgesamt eine kleine Kontakt fläche.

Bei langsameren Reaktionsabläufen wird dagegen eine längere Strecke, verbunden mit einem länger andauernden Kontakt zwischen Reaktand und Katalysator notwendig, also eine größere Kontaktflä che.

Diese Wechselwirkungen zwischen Transport- und Reaktionsschritten werden an katalytisch wirkenden Wabenkörpern in flüssiger Phase noch nicht sicher beherrscht, vor allem, wenn es sich um konsekutiv ablaufende chemische Reaktionen unter Koppelung eines schnellen Reaktionsschrittes mit einem langsamen, z. B. einer Haupt- bzw. Vor- und einer Nachreaktion handelt. Auch der umgekehrte Schritt, die Koppelung einer langsamen mit einer schnellen Reaktion, bedarf ei ner sorgfältigen Optimierung ihrer zeitlichen Aufeinanderfolge, um optimale Raum-Zeit-Ausbeuten zu erzielen. Für einen Reaktionsablauf zwischen den Komponenten A, B und C mit den Geschwindigkeitskon stanten k₁ und k₂

ist es für unterschiedliche technische Varianten charakteristisch und Stand der Technik, die Reaktionen unspezifisch und unbeeinflußt von k₁ und k₂ (sowohl für eine schnelle Vorreaktion k₁ < k₂ als auch eine schnelle Nachreaktion k₁ < k₂) in wabenkörpergefüllten Schlaufenreaktoren zu realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur ef fektiven Umsetzung eines teilweise in der Flüssigkeit gelösten Gases oder Dampfes an parallel angeströmten, katalytisch wirkenden Wänden durch eine gezielte Strömungs- und Reaktionsführung zur Ver fügung zu stellen, bei der geometrisch unterschiedliche Wabenkörper so regulär geordnet in einem Reaktor vom Kolonnentyp untergebracht sind, daß bei minimalen Strömungswiderständen ein optimales Ver hältnis zwischen zwei konsekutiv ablaufenden Reaktionsschritten eingestellt wird.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß in einem Gas-Flüs sigkeitsreaktor, in einer alternierenden Abfolge und mit ihren Strömungskanälen vorzugsweise vertikal gerichtet, Wabenkörper so übereinander geschichtet werden, daß durch einen Naturumlauf der Flüssigkeit in Form einer Strömungsschlaufe, in zeitlicher und ört licher Folge unterschiedliche Anteile der Wandflächen mit Flüssig keit und Gas in Berührung kommen und damit einzelne Reaktions schritte auch unterschiedlich beeinflußt ablaufen können. So wird durch die Schichtung von Wabenkörpern unterschiedlicher Querabmes sungen erreicht, daß die Gesamtlänge der Strömungskanäle und damit die Größe der für eine katalytisch beeinflußte Reaktionsführung erforderlichen Kontaktfläche im Aufström- bzw. im Abströmbereich der Schlaufe voneinander abweichen. Bei einer schnell ablaufenden Reaktion A→B, der eine langsamere B→C folgt, wird für den ersten Schritt eine insgesamt kleinere Kontaktfläche, für den zweiten eine entsprechend größere Fläche benötigt. Die technische Realisierung in Form einer Vorrichtung erfolgt in einer Schlaufenführung des Gas-Flüssigkeits-Gemisches, die in Wandnähe des Reaktors aufwärts gerichtet ist. Bei einer langsamen Reaktion A→B hingegen, an die eine schnelle Reaktion B→C anschließt, empfiehlt sich eine umge kehrte Schlaufenführung, nämlich die Verlegung des Aufströmberei ches in den zentralen Teil der geschichteten Wabenkörper, mit der entsprechend größeren Kontaktfläche.

Die Wabenkörper sind zweckmäßig so gestaltet, daß sie - alternie rend angeordnet - einerseits den Reaktorquerschnitt ausfüllen, an dererseits so Zwischenräume in Nähe der Reaktorwand ausbilden, daß in diesen eine freie konvektive Strömung der Flüssigkeit entsteht. Im Interesse niedriger Strömungswiderstände und optimal hoher Re zirkulationsraten werden die Kanäle der Wabenkörper parallel zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet.

Es können jedoch auch Gruppen von Kanälen alternierend schräg ge richtet sein, geneigt zur Hauptachse des Reaktors hin, oder auch von dieser wegführend, wenn eine größere Rezirkulationsschlaufe einmal bzw. mehrfach unterteilt werden soll.

Ein Hauptvorteil der Vorrichtung besteht darin, daß entstehende Re aktionskomponenten, wie B und C, teilweise oder gänzlich im Takt ihrer Bildung aus Teilen der Strömungsschlaufe abgezogen werden können, so die Komponente B bei einer schnell ablaufenden Reaktion A→B im oberen Reaktorteil des in Reaktorwandnähe befindlichen Aufströmbereiches der Außenschlaufe. Bei einer schnellen Reaktion B→C hingegen kann das Produkt C im unteren Teil der abströmenden Schlaufe abgezogen werden, bzw. auch in mittleren Höhenschnitten des Reaktors aus den freien Räumen zwischen den Wabenkörpern.

Die Größe der Kanalquerschnitte und ihre freie innere Oberfläche bestimmen neben den Durchsätzen für Gas und Flüssigkeit wesentlich die Rezirkulationsgeschwindigkeit innerhalb der Schlaufe sowie de ren Drehsinn. Dabei können zweckmäßig optimale Betriebsbedingungen für die Durchführung konsekutiver Reaktionen eingestellt werden, indem optimale Widerstandsbeiwerte und Flächenanteile in jedem der zwei Schlaufenanteile in Abhängigkeit von der jeweiligen Aufgabe für die Reaktionsführung voreingestellt werden.

Beispiele

Die Erfindung wird an Beispielen näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den erfindungsgemäßen Schlaufenreaktor mit Wabenkörpern, mit peripherer Aufströmzone;

Fig. 2 einen Schnitt AA′ nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Variante nach Fig. 1, mit exzentrischer Aufström zone;

Fig. 4 einen Schnitt BB′ nach Fig. 3;

Fig. 5 + 6 weitere Varianten nach Fig. 1, ohne und mit seitlicher Strömungsauslenkung;

Fig. 7 schematische Darstellung des Reaktors nach Fig. 1, mit Optimierungsparametern;

Fig. 8 Parameter im Optimierungsfeld nach Fig. 7.

In einem Schlaufenreaktor mit dem Kolonnenmantel 1 (Fig. 1 bis 5) befinden sich in axial alternierender Folge die Wabenkörper 2 und 2′ mit einander parallelen, geraden oder schrägen, einander sich nicht überschneidenden Kanälen. Der Reaktor besitzt Vorrichtungen zur Gasführung 3, 3′ und zur Flüssigkeitsführung 4, 4′ und ist mit einem Tragrost 5 sowie mit einer Dispergiereinrichtung 6 versehen. Gemäß Fig. 2 ist eine alternierende Anordnung der Wabenkörper 2 mit kreisförmigem Querschnitt mit Wabenkörpern 2′ quadratischen Quer schnitts zweckmäßig. In anderen Varianten (Fig. 3 und 4) wechseln zylinderförmig begrenzte Wabenkörper 2 mit segmentförmig begrenzten Wabenkörpern 2′. Bei Schlaufenreaktoren größeren Durchmessers ist eine schichtweise gepackte Anordnung der Wabenkörper 2, 2′ beson ders günstig, wobei die Kanäle der Wabenkörper 2′ parallel zur Re aktorhauptachse (Fig. 5) oder schräg zu dieser gerichtet (unter einem spitzen Winkel, Fig. 6) verlaufen.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Schlaufenreaktors ist wie folgt: Im Falle einer schnellen, durch die Wabenkörper katalysierten Vor reaktion A→B (k₁ < k₂) erzeugt das Gas über die Gaszuführung (3) bei Vorliegen eines geringeren Strömungswiderstandes durch Aufstieg in den wandnahen Bereichen des Reaktors eine hier aufsteigende Flüssigkeitsströmung (Fig. 1). Die geringere Kontaktfläche in den Kanälen des Wabenkörpers ist für eine ausreichende Zwischenprodukt bildung B ausreichend. Anteile von B können im Bereich des Flüssig keitsspiegels über die Flüssigkeitsführung 4′ abgezogen werden. Für die langsamere Nachreaktion B→C (k₁ < k₂) ist eine größere Kon taktfläche erforderlich, die im zentralen Teil des Reaktors gegeben ist. Das Endprodukt C wird aus dem Reaktor im unteren Teil entfernt (Abführung nicht eingezeichnet) bzw. teilweise in die Aufströmzone rezirkuliert.

Im Fall einer langsamen Vorreaktion A→B mit anschließender schneller Nachreaktion werden die Strömungskanäle über ihre Quer schnittsflächen so angepaßt, daß der zentrale Teil des Reaktors kleinere Strömungswiderstände als in der Randzone aufweist. Der Flüssigkeitsaufstrom erfolgt im zentralen Reaktorteil mit der ent sprechend größeren, katalytisch wirkenden Kontaktfläche. Wiederum reichert sich B im oberen, C dagegen im unteren Reaktorteil an. Gemäß Fig. 3 wird dieser Effekt in Reaktoren erreicht, die von ei ner Zylindergeometrie abweichen. Nach Fig. 5 dienen regulär ge packte Wabenkörper 2 und 2′ in größeren Reaktoren dem erfinderi schen Ziel, wobei sich (über den Reaktorquerschnitt gesehen) mehre re Schlaufen ausbilden. Durch unter einem spitzen Winkel zur Re aktorhauptachse schräggestellte Kanäle in einzelnen Wabenkörpern 2′ wird erreicht, daß an den dafür vorgesehenen Stellen benachbarte Schlaufen miteinander kommunizieren (Fig. 6).

Maßgeblich die Funktionsweise des Schlaufenreaktors beeinflussende Parameter zeigen Fig. 7 und Fig. 8. Darin bedeuten:
VgO - die Gasleerrohrgeschwindigkeit,
Vlz - die Flüssigkeitsrezirkulationsgeschwindigkeit,
Hz - die Höhe der Rezirkulationszone,
D - den Reaktordurchmesser,
ξ, f, εg - den Widerstandsbeiwert und den Flächenanteil der Wa benkörper, sowie das holdup des Gases, bezogen jeweils auf die Aufströmzone a und die Abströmzone b (vgl. schematische Darstellung in Fig. 7)
Δρ - die absolute Dichtedifferenz zwischen diesen beiden Zonen,
ρ1 - die Flüssigkeitsdichte,
µ - die Durchflußzahl.

Entsprechend der Untersuchung von M. Kraume und P. Zehner, Chemie- Ingenieur-Technik, Heft 4 (1989) "Modellierung der Fluiddynamik in Blasensäulen", wird die Zirkulationsgeschwindigkeit in Schlaufenre aktoren ohne Wabenkörper mittels der Beziehung

dargestellt. Durch Minimieren einer zugehörigen Durchflußzahl unter Berücksichtigung von Auf- und Abströmzone (a, b) werden optimale Parameterbeziehungen erhalten, die eine besonders günstige Be triebsweise des Schlaufenreaktors mit Wabenkörpern gestatten. Ins besondere gilt (fa/fb)opt = 1,3 und (ξa/ξb)opt = 2 (Fig. 8).

Bezugszeichenliste

1 Kolonnenmantel
2, 2′ Wabenkörper
3, 3′ Gasführung
4, 4′ Flüssigkeitsführung
5 Tragrost
6 Dispergiervorrichtung
A,A′; B,B′ Schnitte
a, b Auf- und Abströmzone
VgO Gasleerrohrgeschwindigkeit
Vlz Flüssigkeitsrezirkulationsgeschwindigkeit
D Reaktordurchmesser
Hz Höhe der Rezirkulationszone
ξ, f, εg Widerstandsbeiwert und Flächenanteil der Waben körper sowie holdup des Gases, bezogen jeweils auf die Aufströmzone a und die Abströmzone b
Δρ absolute Dichtedifferenz zwischen diesen beiden Zonen
µ Durchflußzahl
k Geschwindigkeitskonstante
A, B, C Reaktionskomponenten

Claims

1. Verfahren zur Reaktionsführung in Schlaufenreaktoren mit Waben körpern, wobei eine flüssige Phase zusammen mit gasförmig-flüssigen Einsatz-, Zwischen- und Zielprodukten durch das Einsatzgas und/oder eine injizierte Flüssigkeit anteilig in Rezirkulationskreisläufen geführt wird, dabei geordnet geschichtete, strukturierte, kataly tisch wirkende, Kanäle aufweisende Wabenkörper durchdringt, räum lich getrennte Aufström- und Abströmbereiche ausbildend, zur Durch führung konsekutiv ablaufender Reaktionen vom Typ A→B→C (mit den zugehörigen Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k₁ und k₂), dadurch gekennzeichnet, daß

- im Fall einer schnellen Vorreaktion (A→B, k₁ < k₂) der Aufstrom durch erste Kanäle mit einer insgesamt kleineren katalytischen Kon taktfläche und zusätzliche Freiräume geführt wird und der Abstrom durch zweite Kanäle mit einer größeren Kontaktfläche erfolgt, wobei erste und zweite Kanäle in Gruppen zusammengefaßt und räumlich von einander getrennt sind, und
- im Fall einer schnellen Nachreaktion (B→C, k₁ < k₂) umgekehrt der Aufstrom durch erste Kanäle mit einer größeren Kontaktfläche erfolgt und für den Abstrom diejenigen Kanäle unter Ergänzung durch zusätzliche Freiräume vorgesehen sind, die insgesamt über die kleinere Kontaktfläche verfügen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß in einer axial alternierenden Folge Wa benkörper (2) und (2′) innerhalb eines Reaktors untergebracht sind, die in ihren Querabmessungen unterschiedliche Größen besitzen und den Kolonnenmantel (1) gänzlich oder teilweise ausfüllen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Kolonnenmantel (1) und den Wabenkörpern (2′) Zwi schenräume in Form von Freiräumen befinden, die - über die Wa benkörper (2) alternierend - einer oder mehreren parallel zur ver tikalen Kolonnenhauptachse verlaufenden gemeinsamen Achsen des Re aktors zugeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen von Wabenkörpern (2′) im Vergleich mit den parallel zur Hauptachsrichtung verlaufenden Wabenkörpern (2), zumindest teilwei se im Gesamtverbund der Wabenkörper (2) und (2′), anders als paral lel verlaufen, dabei vorzugsweise unter einem spitzen Winkel.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Wabenkörper (2) und (2′) unterschiedliche Kanalabmessungen und un terschiedlich große innere Kontaktflächen besitzen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wabenkörper (2) und (2′), zumindest für gruppenweise zusammen gefaßte, insgesamt jedoch räumlich voneinander getrennte Kanäle un terschiedliche Kanalabmessungen und unterschiedlich große innere Kontaktflächen besitzen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in unterschiedlichen Strömungszonen, wie der Aufström- (a) und der Abströmzone (b) gelegenen Kanäle der Wabenkörper (2) und (2′) Widerstandsbeiwerte ξ und Flächenanteile f besitzen, deren Verhält nisse durch festgelegt sind.