DE60104439T2

DE60104439T2 - Stabförmiger einsatz für reaktionsrohre

Info

Publication number: DE60104439T2
Application number: DE2001604439
Authority: DE
Inventors: Jan Arend TE RAA; Jozef Mathias SLAPAK; Nicolaas Alouisius BOS
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: EP1326706B1; US7132555B2; EP1326706A1; DE60104439D1; JP2004509738A; TWI280154B; US20040096378A1; US8088344B2; US20070122322A1; ATE271418T1; AU2002215906A1; WO2002026370A1; JP5089008B2

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine zugehörende Vorrichtung sowie Systeme zum katalytischen Reagieren eines Fluidreaktantengemisches in einem mehrrohrigen Reaktorsystem.
Hintergrund der Erfindung
Katalytisch verbesserte Reaktionsprozesse werden in der Synthese von Kohlenwasserstoffen und deren sauerstoffangereicherten Derivaten durch katalytische Hydrierung von Kohlenstoffmonoxid (der Fischer-Tropsch-Prozeß) und in der Epoxidierung von Alkenen angewendet. Solche Reaktionen sind typischerweise hoch exotherm. Sie werden im allgemeinen in einem vertikalen Reaktor vom Typ Mantel- und Rohraustauscher verwendet, der eine Vielzahl von Reaktionsrohren aufweist, von denen jedes teilchenförmigen Feststoffkatalysator enthält und von einem Wärmeaustauschfluid umgeben ist.
Typischerweise kann eine Produktion von Ethylenoxid durch katalytische Oxidation in der Dampfphase des Ethylen mit einem molekularen sauerstoffhaltigen Gas durchgeführt werden. Mantel- und Rohrreaktoren, die für die Ethylenoxidation verwendet werden, enthalten mehrere tausend von Reaktionsrohren, von denen jedes 6-15 m lang ist und jedes einen Innendurchmesser zwischen 20 und 50 mm hat. Die Ethylenoxidation-Feststoffteilchen-Katalysatoren basieren im allgemeinen auf Silber auf einem inerten Trägermaterial, dem Promotoren und Copromotoren hinzugefügt werden können. Ethylenoxidations-Trägerkatalysatoren, die Silber und eines oder mehrere Alkalimetalle K, Rb und Cs enthalten, sind in den US-A 3,962,136 und US-A 4,010,115 offenbart. Ethylenoxidations-Trägerkatalysatoren mit Silber, Rhenium und zumindest einem weiteren Metall und gegebenenfalls einem Rhenium-Copromotor sind in dem EP- B 0 266 015 offenbart. Ein Wärmeaustauschfluid kann ein Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch von Kohlenwasserstoffen sein, oder es kann Wasser sein.
Die Reaktion der Ethylenoxidation wird bei einer Temperatur durchgeführt, die im wesentlichen im Bereich von 150 bis 350°C liegt. Abhängig von der Reaktorausbildung der Katalysatorzusammensetzung, der Einsatzzusammensetzung und den weiteren Reaktionsbedingungen muß ein schmaler Reaktionstemperaturbereich innerhalb jedes gegebenen Reaktors aufrechterhalten werden. Der Betrieb umfaßt das Vorerhitzen der einströmenden Einsatzgase im stromaufwärtigen Teil der Reaktionsrohre auf die erforderliche Reaktionstemperatur, das Ableiten überschüssiger Hitze während der Reaktion und das Abkühlen des Abgases der Reaktion.
Zur größeren Wirksamkeit der Vorreaktionserhitzung und der Nachreaktionskühlung werden die stromaufwärtigen und/oder stromabwärtigen Teile der Ethylenoxidations-Reaktorrohre üblicherweise mit einem teilchenförmigen Material vollgepackt (auch Packung genannt). Solche teilchenförmigen Materialien können, oder können nicht, die gleichen wie der teilchenförmige Katalysator sein. Im ersteren Fall wird ein teurer Katalysator als inerter Katalysator verwendet. In der US-A 5,292,904 ist die Verwendung von inerten Teilchen als Packungsmaterial in einer stromaufwärtigen Vorerhitzungszone und in einer stromabwärtigen Kühlungszone von mehrrohrigen Reaktoren für die Erzeugung von Ethylenoxid offenbart. Die US-A 4,061,659 ist auf ein Verfahren zur Herstellung von Ethylenoxid in einem mehrrohrigen Reaktor gerichtet, wobei der stromabwärtige Teil der Reaktorrohre mit einem inerten feuerfesten, teilchenförmigen Material gefüllt ist, das eine Oberflächenzone von 0,1 m²/g oder weniger hat.
Die japanische Patentveröffentlichung JP 2000-169463-A zieht die Verwendung einer rostfreien Stahlpackung als inertes Material in Betracht, wobei der Hauptvorteil darin besteht, daß der rostfreie Stahl weniger anfällig für die Bildung von Nebenprodukten ist. Es sei bemerkt, daß es gut bekannt ist (siehe z.B. Wakao & Kaguei, Heat transfer in packed beds; Gordon & Breach, 1982), daß für mit teilchenförmigen Stoffen gefüllte Rohre die Wärmeleitfähigkeit des Packungsmaterials wenig Einfluß auf den Wärmetransfer unter turbulenten Strömungsbedingungen hat. Deshalb wäre es keine signifikante Verbesserung des Wärmetransfers, der zu erwarten ist, wenn rostfreier Stahl angewendet wird, im Vergleich zu Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie Silizium.
Wenn inerte Teilchen im stromaufwärtigen und/oder stromabwärtigen Teil der Reaktorrohre verwendet werden, haben sie den Vorteil, daß sie billiger sind und eine längere Lebensdauer als Katalysatorteilchen haben. Anderseits bereitet ihre Trennung von dem verbrauchten Katalysator eine Komplikation.
Es besteht daher der Bedarf nach Verwendung einer anderen Art von Einsätzen in dem stromaufwärtigen und/oder stromabwärtigen Teil der Reaktorrohre. Diese Einsätze sollten zumindest so wirksam wie die bekannten teilchenförmigen Füllmaterialien im Begünstigen der Vorerhitzung und/oder Nachkühlung der Einsatzgase sein. Insbesondere sollte ihr Wärmeübertragungskoeffizient hoch sein, und der Gasdruckabfall, der durch sie verursacht wird, sollte klein soll. Außerdem sollten sie billig sein und leicht von den Katalysatorteilchen abgetrennt werden können.
Die Verwendung von kohärenten Einsätzen variierender und weniger komplizierter Form ist im Stand der Technik des Wärmeaustausches, aber nicht in chemischen Reaktoren bekannt. Sie sind im allgemeinen so ausgebildet, daß sie eine maximale Turbulenz des Fluids – meist flüssig -, das durch sie hindurchströmt, bewirken. Tatsächlich werden sie häufig Turbulatoren und Turbulenzeinsätze genannt.
Ein Beispiel eines Einsatzes mit einer komplizierten Form findet sich im EP-B 0 061 154, in welchem ein Einsatz zur Anordnung in einem Gefäß offenbart ist, der einen langgestreckten Kern mit einer Vielzahl von Schleifen hat, die in seiner Längsrichtung angeordnet und winkelmäßig um ihn herum verteilt sind, wobei ein Teil jeder Schleife in enger Nähe einer konzeptuellen Hüllfläche liegt, so daß seitliche gerade Linie (L), die sich vom Kern zum Mittelpunkt dieses Teiles erstrekken, an unterschiedlichen Längspositionen entlang des Kernes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Linie (L) jeder Schleife unter einem spitzen Winkel zum Kern liegt. Vorzugsweise weist der Kern zwei langgestreckte Elemente auf, die miteinander verdrillt sind, wobei ein Teil jeder Schleife zwischen den verdrillten Elementen gehalten ist.
In der US-A 5,454,429 ist ein Zwangsstrom-Wärmeaustauscher offenbart, der ein Gehäuse als Teil eines äußeren Wärmezyklus und zumindest ein Rohr aufweist, das parallel zur Gehäuselängsachse als Teil eines inneren Wärmezyklus befestigt ist, wobei jedes der Rohre einen lose eingesetzten, flexiblen Stab aufweist, der in der Achse und Radialrichtung des Rohres frei bewegbar und drehbar ist. Die Flexibilität der Stäbe und ihre freie Bewegbarkeit, wie vorstehend erwähnt, sind wesentliche Merkmale, weil die resultierenden Vibrationen eine turbulente Strömung innerhalb der Rohre begünstigen. Die Stäbe gemäß dieser Offenbarung sind relativ dünn, wobei das bevorzugte Verhältnis zwischen dem inneren Rohrdurchmesser und dem Stabdurchmesser von 1,4 bis 2,5 beträgt. Die Stäbe nehmen die gesamte Länge der Rohre ein.
Dieser und weiterer recherchierter Stand der Technik enthält keinen Hinweis auf die Verwendung irgendeiner Art von kohärentem (im Gegensatz zu teilchenförmigem) Einsatz zur Begünstigung der Vorerhitzung der Reaktanten in einem mehrrohrigen chemischen Reaktor, insbesondere, wenn die Reaktanten gasförmig sind, und insbesondere, wenn sie Kohlenmonoxid/Wasserstoff oder Ethylen/Sauerstoff-Reaktionsmischungen enthalten.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wurde nun gefunden, daß für die beabsichtigte Verwendung zur Verbesserung der Vorerhitzung und/oder Nachkühlung der Reaktionsgase im stromaufwärtigen und/oder stromabwärtigen Teil von Mehrrohrreaktoren, die außerdem feste Katalysatorteilchen aufweisen, ein im wesentlichen stabförmiger Einsatz aus einem inerten Material und mit einer Länge von 1 bis 20 %, vorzugsweise 1 bis 5 %, der Länge des Reaktorrohres zumindest so wirksam ist wie eine Vielzahl von Packungsteilchen, welche die gleiche Länge einnehmen, während er zusätzliche Vorteile hat, indem er billig und leicht einzusetzen und zu entfernen ist. Wo eine größere Heiz-/Kühlwirksamkeit durch die Verwendung solcher Einsätze gegeben ist, um die Vorerhitzung und/oder Nachkühlung zu verbessern, hat dies den weiteren Vorteil, daß sie, falls erwünscht, eine Verkürzung der Heizungs- und/oder Kühlungszone in einem katalytischen Reaktorrohr ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung umfaßt deshalb ein Verfahren zum katalytischen Umsetzen eines Fluidreaktantengemisches in einem mehrrohrigen Reaktorsystem zur Bildung eines Fluidproduktes, wobei das Reaktantengemisch durch zumindest ein Reaktorrohr geleitet wird, das ein feststehendes Bett eines Festteilchen-Katalysators enthält und von einem Wärmeaustauschfluid umgeben ist, und wobei ein stromaufwärtiger Teil des Reaktorrohres für eine Vorerhitzung des Reaktantengemisches bestimmt ist und/oder ein stromabwärtiger Teil des Reaktorrohres für ein Nachkühlen des Produktes bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der stromaufwärtige Teil und/oder der stromabwärtige Teil des Reaktorrohres einen im wesentlichen stabförmigen Wärmeaustauscheinsatz aufweist, der eine Länge von 1 bis 20 %, vorzugsweise 1 bis 5 %, der Gesamtlänge des Reaktorrohres hat.
Insbesondere umfaßt das Reaktantengemisch Kohlenmonoxid und Wasserstoff, und das Produkt umfaßt einen Kohlenwasserstoff und/oder ein Oxygenat desselben, oder das Reaktantengemisch umfaßt ein Alkylen und Sauerstoff, und das Produkt umfaßt ein Alkylenoxid. Insbesondere weist das Reaktantengemisch Ethylen und Sauerstoff und das Produkt Ethylenoxid auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine detaillierte Beschreibung der Erfindung, die vorstehend kurz zusammengefaßt wurde, erfolgt unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele, die in den angeschlossenen Zeichnungen dargestellt und nachfolgend beschrieben sind. Es sei bemerkt, daß die angeschlossenen Zeichnungen nur einige Ausführungsbeispiele der Erfindung illustrieren und deshalb nicht als einschränkend für den Schutzbereich der Erfindung in Betracht gezogen werden sollten, der andere, gleichermaßen wirksame Ausführungsbeispiele zuläßt.
1 ist ein beispielhafter schematischer Querschnitt eines Reaktors mit in diesem angeordneten Einsätzen.
2 ist ein Längsschnitt eines beispielhaften Einsatzes.
3 ist ein Längsschnitt eines anderen Ausführungsbeispieles eines Einsatzes.
4 ist ein schematischer Längsschnitt eines weiteren Ausführungsbeispieles des Einsatzes.
5 ist eine beispielhafte Endansicht eines Einsatzes, der in einem Reaktorrohr angeordnet ist.
6 ist ein schematischer Längsschnitt eines oder mehrerer expandierbarer Vorsprünge eines Einsatzes in einer zurückgezogenen Position.
7 ist ein schematischer Längsschnitt einer der expandierbaren Vorsprünge in einer expandierenden Position.
8 ist eine geschnittene schematische Endansicht des Einsatzes und des Reaktorrohres nach 6.
9 ist ein schematischer Längsschnitt eines anderes Ausführungsbeispieles des Einsatzes.
10 ist eine geschnittene schematische Endansicht des Einsatzes.
11 ist eine geschnittene schematische Endansicht eines Einsatzes.
12 ist eine geschnittene schematische Endansicht eines Einsatzes.
13 ist eine Grafik, die beispielhaft Ergebnisse zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 ist eine schematische beispielhafte Querschnittsansicht eines Reaktors mit in diesem angeordneten Einsätzen. Ein Reak tor 10 hat einen Mantel 12, der eines oder mehrere Reaktorrohre 20 aufnimmt. Eine erste Rohrplatte 14 ist konzentrisch innerhalb des Mantels angeordnet und mit den Rohren 20 gekuppelt, um eine seitliche Abstützung für die Rohre zu bilden. In ähnlicher Weise ist eine zweite Rohrplatte 16 mit einem anderen Teil der Rohre 20 gekuppelt, um eine seitliche Abstützung für diese zu bilden. Ein oder mehrere Einlässe, wie die Einlässe 22, 24, sind in dem Reaktor 10 ausgebildet, damit Reaktanten in den Reaktor eintreten können. Ein oder mehrere Auslässe, wie der Auslaß 26, sind in dem Reaktor 10 ausgebildet, damit das resultierende Produkt aus dem Reaktor austreten kann. Ein Temperatursteuereinlaß 28 und ein Temperatursteuerauslaß 30 gestatten es, das in den Reaktor 10 eintretende und aus diesem austretende Fluid zu kühlen/zu erhitzen.
Der Reaktor 10 kann in eine Heizzone 32, eine Reaktionszone 34 und eine Kühlzone 36 unterteilt werden. Die Reihenfolge, Größe und Existenz der Zonen und Einlässe/Auslässe kann variieren, abhängig davon, ob die Reaktion endothermisch oder exothermisch ist, abhängig von der Geschwindigkeit der Reaktion, dem Durchsatz und andere Faktoren. Ein Katalysator ist im allgemeinen innerhalb der Reaktorrohre 20 in der Reaktionszone 34 angeordnet.
Eines oder mehrere und im allgemeinen alle der Reaktionsrohre 20 haben einen oder mehrere Einsätze 38, die in diesen angeordnet sind. Während es möglich ist, ein Gemisch von Einsätzen für einen einzelnen Reaktor zu verwenden, kann es aus wirtschaftlichen und praktischen Gründen erwünscht sein, daß alle Einsätze in einem einzigen Reaktor gleich ausgebildet sind.
Bei einigen Ausführungsbeispielen, wie in dem in 1 gezeigten, kann ein Satz von Einsätzen 38 in einem stromaufwärtigen Teil der Reaktorrohre 20 angeordnet sein, und ein ande rer Satz von Einsätzen 40 kann in einem stromabwärtigen Teil der Reaktorrohre angeordnet sein.
Es ist ferner für bestimmte rohrförmige Reaktoren möglich, wie jene, die in der katalytischen Umwandlung von Ethylen und Sauerstoff in Ethylenoxid verwendet werden, daß eine wirksame Verwendung der Einsätze, welche durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen werden, darin besteht, eine Größe von Einsatz im stromaufwärtigen Teil eines Reaktorrohres 20 und eine andere Größe von Einsatz im stromabwärtigen Teil vorzusehen. In solchen Situationen würde der stromaufwärtige Einsatz 38 zweckmäßig kleinere Länge als der stromabwärtige Einsatz 40 haben, und sehr zweckmäßig wäre es, wenn er etwa die halbe Länge des stromabwärtigen Einsatzes hätte. Beispielsweise kann der stromaufwärtige Einsatz 38 eine Länge von 1 bis 10 %, oder von 1 bis 5 %, der Gesamtlänge des Reaktorrohres haben, und der stromabwärtige Einsatz 40 eine Länge von 2 bis 20 %, oder von 2 bis 10 %.
Ein innerer Wärmeübertragungskoeffizient der Einsätze gemäß der vorliegenden Erfindung liegt zweckmäßig im Bereich von 800 bis 4.000 Wm²K (Watt pro m2 pro Grad Kelvin), basierend auf der Oberflächenzone des inneren Rohres, gemessen bei Reynolds Zahlen im Bereich von 10.000 bis 50.000, basierend auf leeren Rohrdimensionen und Oberflächengeschwindigkeit.
Der Druckabfall entlang eines Teiles des Reaktorrohres 20, das von den Einsätzen 38, 40 gemäß der vorliegenden Erfindung eingenommen wird, beträgt zweckmäßig von 50 bis 20.000 Pa pro Meter, ebenfalls gemessen bei Reynolds Zahlen im Bereich von 10.000 bis 50.000, basierend auf leeren Rohrdimensionen und Oberflächengeschwindigkeit.
2 ist ein schematischer Längsschnitt eines beispielhaften Einsatzes. Ein Einsatz 50 kann in einem Reaktionsrohr 20 vorhanden sein. Der Einsatz gemäß der vorliegenden Erfindung kann verschiedene Formen annehmen. Der Einsatz 50 nach 2 kann einen Kern 51 mit im wesentlichen zylindrischer Gestalt haben. Der Einsatz 50 ist vorzugsweise hohl und an zumindest einem Ende 52, vorzugsweise an beiden Enden 52, 54, geschlossen.
Eine Außenquerschnittsabmessung „a" des Kernes 51 definiert eine äußere Querschnittsflächenzone des Kernes 51. Eine Querschnittsabmessung „A" einer Innenfläche 58 des Reaktionsrohres definiert eine innere Querschnittsflächenzone des Reaktorrohrteiles, in welchem der Einsatz 50 angeordnet ist. Im allgemeinen kann die äußere Querschnittsflächenzone des Kernes 51 von etwa 20 bis 90 % der Innenquerschnittsflächenzone des Reaktorrohres 20 betragen.
Der Einsatz 50 kann Oberflächenvorsprünge 56 aufweisen, wie Ringe, Stäbe, Wendeln oder anders geformte Vorsprünge, oder eine Kombination derselben, die sich in Umfangsrichtung oder in Längsrichtung über die Länge des Einsatzes erstrecken. Die Vorsprünge kontaktieren im allgemeinen die Innenfläche 58 des Reaktorrohres 20 und sichern den Einsatz in seiner Position innerhalb des Reaktorrohres.
3 ist ein schematischer Längsschnitt eines anderen Ausführungsbeispieles eines Einsatzes. Ähnlich wie 2 kann ein Einsatz 50 mit Oberflächenvorsprüngen 56 innerhalb eines Reaktorrohres 20 angeordnet sein. Der Einsatz 50 kann konische Gestalt haben. Der Konus kann auch vorzugsweise hohl und an einem Ende 54 verschlossen sein. Der Einsatz 50 kann eine stromaufwärtige Verjüngung 53 haben. Der Einsatz kann auch eine stromabwärtige Verjüngung (nicht gezeigt) haben.
Es versteht sich, daß die Einsatzgestalt variieren und irgendeine geometrische Gestalt sein kann, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
4 ist ein schematischer Längsschnitt eines anderen Ausführungsbeispieles des Einsatzes. Ein Einsatz 50 ist in einem Reaktorrohr 20 auf einer Innenfläche 58 des Rohres gezeigt. Der Einsatz 50 kann einen langgestreckten Kern 51 haben. Als Beispiel kann der Kern 51 eine Außenquerschnittsfläche von etwa 20 bis 90 %, beispielsweise etwa 20 bis 80 % der Innenquerschnittsfläche des Reaktorrohres haben.
Der Kern 51 kann einen oder mehrere Oberflächenvorsprünge 56 aufweisen, wie Drahtgitter, Bürstenborsten, längsgerichtete glatte oder gewellte Platten, Klappen oder Flügel irgendeiner Form und Richtung, oder eine Kombination derselben. Im allgemeinen kontaktieren zumindest einige der Vorsprünge die Innenfläche 58 des Reaktorrohres 20 und sichern den Einsatz in seiner Position innerhalb des Reaktorrohres. Bei einigen Ausführungsbeispielen können diese Oberflächenzonen und/oder Dicken der einzelnen Vorsprünge 56 vom Außenumfang 62 des Vorsprunges 56 gegen eine Basis 64 des Vorsprunges 56 oder den Außenumfang des Kernes 51 hinzunehmen.
5 ist eine exemplarische Endansicht eines Einsatzes 56, der in einem Reaktorrohr 20 angeordnet ist. Es versteht sich, daß es bei zumindest einigen Ausführungsbeispielen nicht notwendig ist, daß jeder Vorsprung das Reaktorrohr 20 kontaktiert, sondern daß es ausreicht, wenn ein oder mehrere Vorsprünge Kontakt herstellen und den Einsatz in seiner Position im Gebrauch sichern. Beispielsweise können längere Vorsprünge 56a das Reaktorrohr 20 kontaktieren und andere Vorsprünge 56b das Reaktorrohr nicht kontaktieren.
Die 6–8 sind schematische Querschnittsansichten eines anderen Ausführungsbeispieles des Einsatzes. 6 ist ein schematischer Längsschnitt eines oder mehrerer expandierbaren Vorsprünge eines Einsatzes in zurückgezogenem Zustand. 7 ist ein schematischer Längsschnitt der expandierbaren Vorsprünge in einer expandierten Position. 8 ist ein schematischer Querschnitt des Einsatzes und des Reaktorrohres nach 6. Die 6–8 werden gleichzeitig beschrieben.
Um einen Einsatz 50 in einem Reaktorrohr 20 anzuordnen, kann es zweckmäßig sein, daß die zugeordneten Vorsprünge 56 die Innenfläche 58 des Reaktorrohres nicht kontaktieren, bis der Einsatz in dem Rohr positioniert ist. Um den Kontakt eines oder mehrerer Vorsprünge 56 gemäß den 1–5 gegen die Innenfläche 58 eines Reaktorrohres 20, sobald der Einsatz an Ort und Stelle ist, zu unterstützen, besteht ein sehr nützliches Ausführungsbeispiel darin, daß der Einsatz 50 eingestellt werden kann, sobald er in Position ist, wobei die Vorsprünge gegen oder zur Innenfläche des Reaktorrohres hingedrückt werden. Eine Anzahl von Verfahren und Systemen kann verwendet werden, um die Vorsprünge zu expandieren, einschließlich aber nicht einschränkend Gewindeeingriffe, Gleiteingriffe, Nocken, Schrägflächen, Gasbetätigung und hydraulische Betätigung, sowie andere Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, das Verständnis der Beschreibung der vorliegenden Erfindung vorausgesetzt.
Beispielsweise und ohne Einschränkung kann der Einsatz 50 ein translatorisches Element 70 aufweisen, das einen Drehpunkt 72 an einem Ende haben kann. Der Drehpunkt 72 kann an einer Schrägfläche 74 des Vorsprunges 56 angreifen. Der Drehpunkt 72 kann gedreht werden, sobald sich der Einsatz in Position befindet, derart, daß die Vorsprünge 56 innerhalb des Reaktorrohres 20 expandiert werden und die Vorsprünge die Innenfläche 58 kontaktieren oder in enge Nähe mit der Innenfläche des Reaktorrohes gebracht werden. Obzwar dies nicht gezeigt ist, versteht sich, daß der Einsatz selbst oder sein Kern zusätzlich oder statt des Vorsprunges expandiert werden kann, um ein ähnliches Resultat zu erzielen, d.h. die Expansion zumindest eines Elementes des Einsatzes gegen das Reaktorrohr 20 hin.
9 ist ein schematischer Längsschnitt eines anderen Ausführungsbeispieles des Einsatzes. 10 ist eine schematische Querschnittsansicht des Einsatzes und des Reaktorrohres nach 9 und wird gleichzeitig mit 9 beschrieben.
Ein Einsatz 56 kann in einem Reaktorrohr 20 angeordnet sein. Der Einsatz 56 kann Stabform haben, aber kernlose Form, wie eine bestimmte Menge von Drahtgitter. Der Einsatz 56 kann so bemessen werden, daß er mit seinem Umfang nahe an die Innenfläche des Rohres heranreicht und so eng in das Reaktorrohr paßt. Beispielsweise kann das Drahtgitter Längselemente 56 und Seitenelemente 82 aufweisen. Der Einsatz 56 kann in einer geeigneten Gestalt und Größe geformt werden, um in das Reaktorrohr 20 zu passen.
Unabhängig von der besonderen Gestalt und Konfiguration besteht jeder Einsatz vorzugsweise aus einem Metall oder einer Legierung, die ausreichend wärmeleitend und gegen Korrosion unter Reaktionsbedingungen widerstandsfähig ist, wie einem Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl. Das Metall/die Legierung der Wahl können von der im Reaktorrohr ausgeführten Reaktion abhängen.
Beispielhaftes Verfahren zur Verwendung mit dem Einsatz
Als Beispiel für die Arbeitsweise des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Epoxidation von Ethylen ge nannt. Die Verfahren zur katalytischen Erzeugung von Ethylenoxid in der Dampfphase aus Ethylen und molekularem Sauerstoff werden gemäß der verwendeten Sauerstoffquelle im wesentlichen in jene Verfahren unterteilt, die reinen Sauerstoff anwenden, und jene Verfahren, die Luft anwenden, doch sind die Unterschiede hinsichtlich der Wärmeübertragungsanforderungen nicht fundamental, und die vorliegende Erfindung kann in beiden Fällen angewendet werden.
Wenn reiner Sauerstoff oder Luft zur Oxidation von Ethylen verwendet wird, weist das Reaktionsgasgemisch in beiden Fällen, neben Ethylen und Sauerstoff, einen Überschuß von Verdünnungsmitteln auf, wie Kohlendioxid, Stickstoff, Argon, Methan und Ethan, und eine kleine Menge eines Halidreaktionsmoderators, wie Ethylchlorid, Vinylchlorid oder Dichlorethan. Beispielsweise kann das Reaktionsgas 1–40 Vol.-% Ethylen, 3–12 Vol.-% Sauerstoff, 0–3 Vol.-% Ethan, 0,3–50 ppm Chlorkohlenwasserstoffmoderator und als Rest Argon und/oder Methan enthalten.
Der Einlaßreaktionsgasdruck liegt im Bereich vom Atmosphärendruck bis 4.000 kPa, vorzugsweise von 1.000 bis 3.000 kPa. Es ist wichtig, daß der Einsatz gemäß der Erfindung keinen wesentlichen Druckabfall über die Länge des Reaktorrohres verursacht, in dem er angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Druckabfall weniger als etwa 2 % des Einlaßdruckes.
Die Reaktions- (Katalysator-) Temperatur liegt im Bereich von 150 bis 350°C, vorzugsweise von 220 bis 300°C. Die stündliche Raum-Volumen-Geschwindigkeit (VHSV) des Reaktionsgasgemisches liegt im Bereich von 1.000 bis 10.000 h^–1 (m³ pro m³.h gepackten Katalysators), und vorzugsweise von 2.000 bis 8.000 h^–1 (m³ pro m³.h gepackten Katalysators), gemessen bei Standardtemperatur und -druckbedingungen. VHSV wird typischerweise in Einheiten pro Stunde^–1 ausgedrückt, Kubikmeter pro Kubikmeter-Stunde, Kubikmeter Gas pro Kubikmeter Reaktorvolumen (z.B. gepacktes Katalysatorvolumen)-Stunde, oder andere Einheiten, wie Volumen pro Volumen-Zeit. Das O₂-Umwandlungsniveau beträgt 10-60 % und die EO-Produktion (Arbeitsrate) 30-400 kg/m3 Katalysator/h.
Wenn Kohlenwasserstoff als Wärmeaustauschfluid verwendet wird, welches die Reaktorrohre umgibt, liegt sein Druck im allgemeinen zwischen 100 und 1.500 kPa, vorzugsweise zwischen 200 und 800 kPa, noch bevorzugter zwischen 200 und 600 kPa. Wenn das Wärmeaustauschfluid Wasser ist, liegt sein Druck zwischen 1.500 und 8.000 kPa. Die Temperatur des Wärmeaustauschfluids beim Verlassen des Reaktors liegt im allgemeinen zwischen 200 und 350°C, vorzugsweise zwischen 220 und 300°C.
Die folgenden nicht einschränkenden Beispiele illustrieren Ausführungsformen der Erfindung.
In den Beispielen 1 und 2 werden zwei illustrative Ausführungsformen von Einsätzen gemäß der vorliegenden Erfindung gegeben.
In den Beispielen 3 bis 5 wurde die theoretische/berechnete Leistung als Effekt auf die Wärmeübertragung, den Druckabfall und die Turbulenz des (gasförmigen) Fluids, das durch ein Reaktorrohr strömt, auf der Basis von:

– Einsätzen gemäß den Beispielen 1 und 2 aus Kohlenstoffstahl mit einer spezifischen Leitfähigkeit von 45 Wm^–1K^–1,
– einem 35 cm Bett aus teilchenförmigem Katalysatormaterial, d.h. alphasilber-imprägnierte Alphaaluminium-Ringe (Außendurchmesser 8,40 mm, Innendurchmesser 2,97 mm, Höhe 8,55 mm) , und
– einem leeren Reaktorrohr

Beispiel 1 – Einsatz
11 ist eine schematische Querschnitts-Endansicht eines Einsatzes. Der Einsatz 50 umfaßt eine Konstruktion von 32 gebogenen Flügeln oder Vorsprüngen 56, die einzeln um einen zentralen Kern 51 herum geschweißt sind, oder einen Ring, der ein hohler Zylinder ist, geschlossen an einem Ende oder an beiden Enden, mit einem Außendurchmesser von 25 mm. Die Dicke des Flügelmaterials ist 1 mm, und die gesamte Höhe jedes gebogenen Flügels ist 8,1 mm. Der Außendurchmesser der Konstruktion ist 38,5 mm und seine Länge 35 cm.
Beispiel 2 – Einsatz
12 ist eine schematische Querschnitts-Endansicht eines Einsatzes. Der Einsatz 50 umfaßt eine Konstruktion aus einer 1 mm rostfreien Stahlplatte, die mit Vorsprüngen 56 ausgebildet ist, d.h. die Platte wurde mit einer Wellenlänge von 5 mm und einer Wellenhöhe von 6,75 mm gewellt, um den Kern 51 herumgebogen, ähnlich wie im Beispiel 1. Der Außendurchmesser der Konstruktion ist 38,5 mm und ihre Länge 35 cm.
Beispiel 3 – Wärmeübertragung
Es wird ein Reaktorrohr mit einem Innendurchmesser von 38,5 mm und einer Länge von etwa 35 cm, d.h. etwa 3 % der Gesamtlänge eines typischen kommerziellen Reaktorrohres, verwendet. Das Reaktorrohr wird mit Einsätzen aus den Beispielen 1 und 2 beladen (die je eine Länge von 3 % der Gesamtlänge eines typischen kommerziellen Reaktorrohres haben), mit ringgeformten Teilchen, oder frei gelassen, und wird auf 250°C erhitzt. Eine gasförmige Mischung aus Methan (50 %), Ethylen (40 %) und Sauerstoff (10 %) tritt in das Reaktorrohr mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 1 ms^–1, 2.000 kPa und 150°C ein.
Die Wärmeübertragung innerhalb des Rohres, das mit Einsätzen aus den Beispielen 1 und 2 beladen ist und die Wärmeübertragung innerhalb des leeren Rohres werden gemäß der Wärmeübertragungsrelation von V. Gnielinski, „Chem.-Ing..-Techn.", 61, (1989), 160/61, bestimmt, wobei eine steady state Wärmeübertragung, ein konstanter Wärmeübertragungskoeffizient an der Oberfläche des Einsatzes, ein homogenes Material des Einsatzes, keine Hitzeerzeugung, kein Widerstand in der Hitzeleitung zwischen der Rohrwand und dem Einsatz, und keine Radialtemperaturgradienten im Fluid angenommen werden. Die Wärmeübertragung innerhalb des Rohres, das mit ringförmigen Teilchen („gepacktes Bett") beladen ist, wird gemäß P. C. Borman et al., Chem. Engng. Commun., Band 114, S. 17 bis 47, unter dem gleichen Satz von Annahmen bestimmt.
13 ist eine Graphik, welche die Resultate aus Beispiel 3 zeigt. Die Resultate zeigen die berechnete Fluidtemperatur als Funktion des Abstandes von dem Reaktorrohreingang für ein leeres Rohr, ein Rohr mit einem gepackten Bett von Katalysatorringen, und Rohren mit den exemplarischen Einsätze nach den Beispielen 1 und 2. Die X-Achse repräsentiert einen Abstand in Metern vom Eingang des Reaktorrohres. Die Y-Achse zeigt die Fluidtemperatur in Grad Celsius, um die Wärmeübertragung entlang der Länge des Reaktorrohres anzuzeigen.
Die untere Kurve 4 für das leere Rohr hat die unterste Wärmeübertragungsrate. Die Temperaturzunahme beträgt etwa 10°C durch den Reaktor oder eine Zunahme von etwa 7 % von der Starttemperatur von etwa 150°C. Die nächsthöhere Kurve 3, die ein gepacktes Bett verwendet, zeigt die Wärmeübertragungsrate von etwa 50°C oder eine Zunahme von etwa 33 %. Die nächsthöhere Kurve 1, die einen Einsatz nach Beispiel 1 verwendet, zeigt eine größere Wärmeübertragungsfähigkeit durch Erhöhung der Temperatur um etwa 80°C oder eine Zunahme von etwa 53 %. Die Endkurve 2 unter Verwendung des Einsatzes, der nach Beispiel 2 konstruiert ist, zeigt die größte Wärmeübertragungsfähigkeit durch Erhöhung der Temperatur um etwa 85°C oder eine Erhöhung um etwa 57 %.
Beispiel 4 – Druckabfall
Die gleichen Experimentalbedingungen wie im Beispiel 3 wurden beibehalten. Der Druckabfall, berechnet pro Meter Länge, wird aus dem Rohr, das mit Einsätzen nach den Beispielen 1 und 2 beladen ist, und für das leere Rohr nach Karman-Nikuradze, siehe J. Nikuradze, VDI-Forschungsheft (1950) 361, bestimmt. Der Druckabfall für das Rohr, das mit ringförmigen Teilchen beladen ist, wird gemäß S. Ergun, Chem. Eng. Prog., 48, 89, 1952, bestimmt.
Die so ermittelten Druckabfälle sind folgende:

– Für das leere Rohr: 5 Pa pro Meter
– Für die ringförmigen Teilchen: 18.000 Pa pro Meter
– Für den Einsatz nach Beispiel 1: 870 Pa pro Meter
– Für den Einsatz im Beispiel 2: 485 Pa pro Meter.

Beispiel 5 – Turbulenz
Die gleichen Experimentalbedingungen wie im Beispiel 3 wurden beibehalten. Die Turbulenz innerhalb des rohrförmigen Reaktors einer Oberflächenfluidgeschwindigkeit von 1 m/s wurde errechnet, ausgedrückt in den Reynolds-Zahlen wie folgt:

– Für das leere Rohr: 30.516
– Für die ringförmigen Teilchen: 9.720
– Für den Einsatz im Beispiel 1: 10.681
– Für den Einsatz im Beispiel 2: 5.148.

Aus diesen Resultaten wird klar, daß unter der Bedingung einer hohen Fluidgeschwindigkeit die Einsätze die Turbulenz innerhalb des Reaktorrohres absenken statt erhöhen. Insbesondere ist hier gezeigt, daß die erhöhte Wärmeübertragung, die im Beispiel 3 für zwei Einsätze gemäß der Erfindung gefunden wurde (verglichen mit den ringförmigen Teilchen), nicht auf eine erhöhte Turbulenz zurückzuführen ist.

Claims

Verfahren zum katalytischen Umsetzen eines Fluidreaktantengemisches in einem mehrrohrigen Reaktorsystem zur Bildung eines Fluidproduktes, wobei das Reaktantengemisch durch zumindest ein Reaktorrohr geleitet wird, das ein Bett eines Festteilchen-Katalysators enthält und von einem Wärmeaustauschfluid umgeben ist, und wobei ein stromaufwärtiger Teil des Reaktorrohres für eine Vorerhitzung des Reaktantengemisches bestimmt ist und/oder ein stromabwärtiger Teil des Reaktorrohres für ein Nachkühlen des Produktes bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der stromaufwärtige Teil und/oder der stromabwärtige Teil des Reaktorrohres einen im wesentlichen stabförmigen Wärmeaustauscheinsatz aufweist, der eine Länge von 1 bis 20 % der Gesamtlänge des Reaktorrohres hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktantengemisch Ethylen und Sauerstoff enthält und das Produkt ein Ethylenoxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz eine Länge von 1 bis 5 % der Gesamtlänge des Reaktorrohres hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertragungskoeffizient des Einsatzes im Bereich von 800 bis 4.000 Wm^–2K^–1 liegt, basierend auf der inneren Rohroberfläche, und der Druckabfall entlang des von dem Einsatz belegten Rohrteiles im Bereich von 0, 05 und 20 kPam^–1 bei Reynolds Zahlen im Bereich von 10.000 bis 50.000 liegt, auf der Basis der Abmessungen des leeren Rohres und der oberflächlichen Geschwindigkeit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Einsatz im wesentlichen die Form eines Zylinders hat, der einen Kern mit einer Außenquerschnittsfläche im Bereich von 20 bis 90 % der Innenquerschnittsfläche des Reaktorrohres aufweist, und der Einsatz einen oder mehrere Oberflächenvorsprünge, wie Ringe oder Stäbe oder Wendeln, oder eine Kombination derselben aufweist, wobei eine ausreichende Zahl von Vorsprüngen die Innenfläche des Reaktorrohres berührt, um den Einsatz innerhalb des Reaktorrohres in Position zu halten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Einsatz einen langgestreckten Kern hat, dessen Außenflächenquerschnitt im Bereich von 20 bis 90 % des Innenflächenquerschnittes des gesamten Reaktorrohres beträgt, wobei der Kern Oberflächenvorsprünge, wie Drahtgitter, Bürstenborsten, längspositionierte glatte oder gewellte Platten und Rippen oder Flügel irgendeiner Form und Richtung, oder eine Kombination derselben aufweist, wobei eine ausreichende Zahl von Vorsprüngen die Innenfläche des Reaktorrohres berührt, um den Einsatz innerhalb des Reaktorrohres in Position zu halten.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenzonen und/oder die Dicke der einzelnen Vorsprünge gegen den Umfang des Kernes zunehmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz Einstellmittel aufweist, mit welchen die Außenfläche derart expandiert werden kann, daß die Oberflächenvorsprünge nach der Installation des Reak torrohres in Berührung mit der Innenfläche des Reaktorrohres oder in enge Nähe derselben kommen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Einsatz die Form eines stabförmigen kernlosen Drahtgitters hat, das eng in das Reaktorrohr paßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einsatz aus einem Metall oder einer Legierung besteht, das bzw. die unter Reaktionsbedingungen korrosionsfest ist.