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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf dem Gebiet der chemischen Verfahrenstechnik
verwertbar und bezieht sich insbesondere auf Verbesserungen in chemischen
Reaktoren. Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Prozesssteuerung
der Temperatur in einem chemischen Reaktionssystem und einer chemischen
Verarbeitungsanlage. Die Erfindung stellt insbesondere einen Reaktor
bereit, der für eine
schnelle Umwandlung eines Fluidreaktanten innerhalb des Reaktors
geeignet ist, wobei ein gewünschtes
Profil der Reaktantentemperatur indirekt mittels eines Wärmeaustauschfluids
aufrechterhalten wird.
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Ausgangssituation
der Erfindung
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Bei
den meisten chemischen Prozessen besteht ein Wärmebedarf oder die Notwendigkeit
der Wärmeableitung.
Daher sind verschiedenste chemische Anlagen vorhanden, die Fluide
enthalten oder transportieren, wobei die Fluide während eines
bestimmten Abschnittes des Prozesses entweder erwärmt oder
abgekühlt
werden müssen.
Als Beispiele für
solche Anlagen seien Öfen,
Verdampfer, Destillationsanlagen, Trockner und Reaktionsgefäße genannt,
bei denen sich die Wärmeübertragung
als Problem hinsichtlich der Konstruktion und der Funktion darstellt.
Insbesondere werden bei vielen industriellen chemischen Prozessen
Reaktoren verwendet, bei denen Reaktionen unter bestimmten Temperatur- und
Druckbedingungen in Anwesenheit eines Katalysators herbeigeführt werden.
Fast alle diese Reaktionen erzeugen oder absorbieren Wärme, sind
also entweder exotherm oder endotherm. Die Kühlwirkungen endothermer Reaktionen
beeinträchtigen
im Allgemeinen die Reaktionsgeschwindigkeit und die entsprechenden
Parameter, wie zum Beispiel die Umwandlung und die Selektivität der Produkte
aus der Reaktion. Die ungesteuerte Erwärmung exothermer Reaktionen
führt im
Allgemeinen zur Beschädigung der
für die
Reaktion verwendeten Vorrichtung, da die Temperatur auf einen sehr
hohen Wert ansteigen kann. Die Reaktion kann in einem solchen Fall
ungesteuert ablaufen (so genanntes „Durchgehen der Reaktion") und unerwünschte Nebenprodukte
und Wirkungen zur Folge haben, zum Beispiel die Deaktivierung eines
Prozesskatalysators. Ein weiteres Problem besteht darin, dass ein
idealer Katalysator zwar theoretisch nicht an einer Reaktion teilnimmt,
in der Realität
viele Katalysatoren aber mit fortschreitender Reaktion geschädigt oder
vergiftet werden und die Kosten der Regeneration oder des Austausches
von Katalysatoren im gewerblichen Maßstab eine beträchtliche
Belastung darstellen. Es ist zu beachten, dass dabei auch die Kosten
einzubeziehen sind, die während
der Stillstandszeiten der Anlage oder durch die eingeschränkte Kapazität entstehen,
wenn ein bestimmter Reaktor zum Zwecke der Katalysatorregeneration
außer
Betrieb genommen werden muss. Hinsichtlich des beträchtlichen
finanziellen Nutzens, der insgesamt erzielbar ist, besteht also
das Bedürfnis
nach einer verlängerten
Lebensdauer eines Katalysatorbettes. Die im Folgenden zu beschreibende Erfindung
eignet sich auf ideale Weise für
die Verwendung bei katalytischen Reaktoren, kann aber auch an andere
Verwendungszwecke angepasst werden. Es wird kein Unterschied hinsichtlich
der Anwendung der Erfindung auf diskontinuierlich oder kontinuierlich
arbeitende Reaktionssysteme gemacht.
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Für den Fachmann
ist es offensichtlich, dass eine Steuerung der sich aus den erwärmenden
oder kühlenden
Wirkungen der Reaktionen ergebenden Temperaturänderungen von Nutzen ist. Man
weiß sehr
genau, dass sich die Beibehaltung eines bestimmten konstanten Wertes
der Reaktionstemperatur sehr vorteilhaft auf die Reaktion auswirken
kann. Zu solchen Vorteilen zählen
eine verbesserte Umwandlung und Selektivität, eine verlängerte Lebensdauer
des Katalysators und der verwendeten Vorrichtung, ein geringeres
Auftreten von unerwünschten Nebenprodukten
usw. In einigen Fällen
kann das Variieren des konstanten Temperaturprofils vorteilhafter sein.
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Zur
wirksamen Steuerung der Temperatur von Reaktionen innerhalb eines
akzeptablen Bereiches hat die chemische Industrie verschiedene Anordnungen
entwickelt, von denen die üblicherweise verwendeten
in Standardwerken und – texten
erörtert werden.
So könnte
man zum Beispiel die allgemeine Lehre von Octave LEVENSPIEL in „Chemical
Reaction Engineering",
Kapitel 19, in Be tracht ziehen. Die relativen Vorzüge der einzelnen
Lösungsansätze werden
darin ebenfalls erörtert.
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Die
Temperatur im Inneren von Reaktoren wird auf herkömmliche
Art und Weise dadurch gesteuert, dass ein Zusatzwärmeaustauschfluid
durch Rohre transportiert oder zwischen Platten hindurchgeleitet
wird, die einen Wärmeübertragungsleiter oder
eine Wärmebrücke bilden
und gleichzeitig die Reaktantenart vom Zusatzwärmeaustauschfluid trennen.
Es leuchtet somit ein, dass in einem solchen indirekten System der
Wärmeübertragung
einerseits ein Prozessweg oder eine Prozesszone und andererseits
ein Zusatzfluidweg oder eine Zusatzfluidzone vorhanden ist, die
durch die Rohrwand/die Rohrwände
oder die Plattenoberfläche(n)
voneinander getrennt sind.
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Wenn
man dieses wohl bekannte Konzept unter Bezugnahme auf Reaktoren
mit katalytischen Festbetten betrachtet, so wird ein Reaktantenfluid durch
das Katalysatorbett geleitet und die dort auftretende Reaktionswärme dadurch
gesteuert, dass die Katalysatorbettreaktionszone mit solchen Rohren oder
Platten, die ein Zusatzfluid enthalten, in Kontakt gebracht wird.
Insbesondere bei hochgradig exothermen Reaktionen hat sich ein solcher
Lösungsansatz jedoch
nicht als ideal erwiesen, da das Festbett oft Wärmegefälle entwickelt. Das bedeutet
zum Beispiel, dass das Katalysatorbett in seinen Bereichen des Kontaktes
mit den Rohren oder Platten kühler
und in seinen tiefer gelegenen Bereichen, die von den Rohren oder
Platten entfernt sind, heißer
ist, wodurch „heiße Flecken" oder sich bewegende
heiße
Fronten entstehen können,
was zu Schwankungen im Reaktionsverlauf innerhalb des Bettes insgesamt
führen kann.
An einem solchen „heißen Fleck" kann die Reaktion
also schneller vonstatten gehen, wodurch sich der enthaltene Katalysator
schneller zersetzt. Das tritt besonders deutlich bei großen Anlagen
zutage.
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Man
kann also sagen, dass zu den zu lösenden Problemen die Notwendigkeit
gehört,
die Temperaturen der Reaktanten und des Katalysators zu folgenden
Zwecken innerhalb eines zufrieden stellenden Bereiches zu halten:
Maximierung der Reaktionsgeschwindigkeit, Minimierung des Reaktor-
oder Katalysatorvolu mens, Maximierung der Ausbeute an gewünschten
Produkten, Minimierung des Schadens am Katalysator (zum Beispiel
Schäden
durch übermäßige Wärme oder
direkte Verunreinigung mit Flüssigphasen)
und Minimierung der Nebenproduktbildung.
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Zu
den typischen Lösungsansätzen für solche
Probleme gehört
die Einleitung von schlagartig abkühlendem Gas zur Systemkühlung. Dieses
Verfahren mindert jedoch den Wirkungsgrad und kann somit die Ausbeute
beeinträchtigen.
Ein weiterer Ansatz ist die Anordnung einer Wärmeaustauschstufe zwischen
adiabatischen Betten, was den Einbau von Wärmeaustauschern in den Reaktor
mit sich bringen kann. Das führt
jedoch zu Problemen sowohl hinsichtlich der Konstruktion als auch
der Funktion durch die umfangreichen Rohranordnungen und die fehlende
Differenzdruckeindämmung
bei Plattenaustauschern. Auch hinsichtlich der Umverteilung der
Reaktanten gibt es Probleme. Die Reaktanten können auch zum Zwecke eines
zwischenstuflichen Wärmeaustausches
(zum Beispiel durch Kühlen)
aus dem Reaktor entfernt werden. Aber auch das hat heftige Auswirkungen
auf die Konstruktion der Anlage und die Prozessfunktionen, da hier
kostenträchtige
Zusatzrohre eingebaut werden müssen
und sich die Verteilung bei jeder Extraktion und Wiedereinspritzung
schwierig gestaltet. Das sollte also in keinem System öfter als
ein- oder zweimal erfolgen.
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Ein
weiterer Lösungsansatz
besteht in einem kontinuierlichen Wärmeaustausch mittels in das
Katalysatorbett gepackter Rohre oder Platten. Das führt jedoch
zum Verlust der Flexibilität
bei der Konstruktion, zu zusätzlichen
Kosten, einer ungleichmäßigen Packung
des Katalysators und natürlich
zu Schwierigkeiten beim Austausch oder bei der Regeneration des
Katalysators. Dem Wärmeaustausch
dienende Rohre, Platten und Kanäle
des Reaktors können auch
mit einem Katalysator beschichtet werden. Aber auch hier leidet
die Flexibilität
der Konstruktion, gibt es Probleme hinsichtlich des betriebssicheren
Auftragens des Katalysators und bestehen Einschränkungen in Bezug auf die verfügbare Katalysatoroberfläche. Außerdem ist
es auch bei diesem Ansatz offensichtlich schwierig, den Katalysator
auszutauschen oder zu regenerieren.
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Wirbelschichtreaktoren
stellen eine weitere potenzielle Lösung dieser Probleme dar, können aber
nicht auf ideale Weise für
alle oder ganz bestimmte Reaktionssysteme nutzbar gemacht werden.
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Die
Möglichkeit
der Verwendung eines inerten oder reaktiven Verdünners als Ballast für die Reaktantentemperatur
in adiabatischen Betten ist ebenfalls in Betracht gezogen worden.
Ein solcher Verdünnen
muss jedoch erwärmt,
abgekühlt
und gepumpt werden, was den Energiebedarf des Prozesses erhöht und darüber hinaus
die beabsichtigte Reaktion beeinträchtigen kann, da die Reaktanten
hier auf eine Diffusionsbarriere treffen.
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Eine
weitergehende Erklärung
der Probleme ist unter Berücksichtigung
der Prinzipien des Systems des adiabatischen Abschnittsfestbettreaktors möglich. Dieses
System ist ein Beispiel für
eine Anordnung, mit deren Hilfe sich die Reaktantentemperatur besser
steuern lässt.
Dieses System verwendet eine Anordnung mit einer Reihe von voneinander
abgetrennten, mit Zwischenraum angeordneten Reaktionszonen, zwischen
denen sich Mittel befinden, die die Temperatur der Produkte steuern,
wenn die Produkte eine erste Reaktionszone verlassen und bevor sie
in die nächste
Reaktionszone eintreten. Es ist kein Wärmeaustauschmittel zur Steuerung
der Reaktionstemperatur in den Reaktionszonen vorhanden. So bewegt
sich das Reaktantenfluid, das mit einer gewünschten Temperatur in den Reaktor
eintritt, durch ein Festbett, das einen Katalysator enthält. Beim
Verlassen dieses ersten Abschnittes haben das Reaktantengas und
alle Produkte eine Temperatur, die in Abhängigkeit von der thermischen
Kennlinie der Reaktion höher
oder niedriger als die Anfangstemperatur ist. Ein Wärmeaustauscher
erwärmt
dann das Reaktantengas, bevor dieses in das nächste Festbett, also in den
zweiten Abschnitt eintritt, auf eine zweite gewünschte Temperatur bzw. kühlt es auf diese
ab, wobei diese zweite gewünschte
Temperatur der ersten gewünschten
Temperatur entsprechen oder sich von dieser unterscheiden kann.
Diese Aufeinanderfolge wird so lange beibehalten, bis die gewünschte Umwandlung
vollzogen ist. Somit ist das Temperaturprofil der Reaktion innerhalb
eines akzeptablen Temperaturbereiches abgestuft und dadurch nicht
genau isotherm.
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US-A-5.600.053
offenbart einen alternativen Vorschlag für einen Prozess und eine Vorrichtung
zur Steuerung von Reaktionstemperaturen. Diese Anordnung verwendet
mit Rillen versehene, mit Zwischenraum angeordnete Wärmeaustauschplatten, wobei
jede Platte auf ihrer einen Seite eine Begrenzung eines dem Wärmeaustausch
dienenden Strömungskanals
und auf ihrer anderen Seite eine Begrenzung eines Reaktionsströmungskanals
bestimmt. Bei dieser Anordnung strömt ein Wärmeaustauschfluid durch die
zuerst genannten Kanäle
und ein Reaktantenstrom durch die zuletzt genannten Kanäle, vorzugsweise
in Anwesenheit eines Katalysators. Diese Anordnung dient der Beseitigung
bzw. Minimierung der typischen schrittweisen Annäherung an das Ziel des so genannten
isothermischen Zustandes.
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Bei
der in US-A-5.600.053 vorgeschlagenen Anordnung ist es jedoch notwendig,
dass mit Rillen versehene Platten, die aneinander angrenzen, miteinander
verbunden werden. Zu diesem Zweck sind glatte Kanten vorhanden,
die den Zusammenbau von mehreren aufeinander geschichteten Platten
zur Bildung von Kanälen
erleichtern. Die Platten werden zum Beispiel durch Schweißen entlang
dieser glatten Kanten miteinander verbunden. Daher kann die Intaktheit
der Abdichtung der Kanäle,
die durch die Rillen benachbarter Platten gebildet werden, nicht
in vollem Maße
gewährleistet
werden. Das gilt insbesondere für
die Fälle,
in denen ein großer
Druckunterschied zwischen den dem Wärmeaustausch dienenden Strömungskanälen und
den Reaktionsströmungskanälen besteht,
der die benachbarten Platten tendenziell auseinander drückt. Diese
Anordnung wirkt somit unnötigerweise
einschränkend
auf die Reaktionsparameter, nämlich
auf das Druckverhältnis
zwischen Wärmeaustauschfluid
und Reaktantengas.
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US-A-5.073.352
beschreibt ein früheres
System. Dort wird eine Vorrichtung zur Durchführung eines Benzinreformierprozesses
unter Niederdruck und in Anwesenheit mindestens eines Katalysators vorgeschlagen.
Bei diesem Prozess stellt ein Wärme führendes
Fluid, zum Beispiel Erdgas, die für die Reaktion benötigte Wärme bereit.
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Die
dort beschriebene Vorrichtung weist mehrere voneinander abgetrennte
Reaktionszellen auf, die senkrecht angeordnet und im Wesentlichen quaderförmig sind.
Die Zellen sind seitwärts
mit Zwischenraum angeordnet, wodurch zwischen ihnen Kanäle zum Transport
des Wärme
führenden
Fluids vorhanden sind. Die Reformierkammern, die einen Katalysator
enthalten, sind jeweils entweder isotherm oder adiabatisch und ihre
Abmessungen sind so gestaltet, dass Höhe (N), Breite (B) und Dicke
(D) die Bedingungen H > B > D erfüllen, N
mindestens zweimal so groß wie
B ist, wobei B im Bereich zwischen 50 mm und 10.000 mm (0,05 m bis
10 m) liegt, und D im Bereich zwischen 2 mm und 2.000 mm (0,002
m bis 2 m) liegt. Bei solchen großvolumigen katalytischen Reaktoren
ist es also immer noch möglich, dass „heiße Flecken" auftreten und sich
die Temperatur nur unbefriedigend steuern lässt.
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Dem
Fachmann ist bekannt, dass die Wärmedurchgangszahl
in einem Festbett im Wesentlichen von der Größe der Katalysatorteilchen
und der Geschwindigkeit, mit der das Reaktantenfluid durch das katalytische
Bett strömt,
abhängt.
Leider gehören
diese beiden Parameter zu den Prozessvoraussetzungen und können daher
nicht geändert
werden, um die Wärmedurchgangszahl
im Festbett und damit in den in US-A-5.073.352 beschriebenen Reaktionszellen
zu verbessern. Außerdem
ist es schwierig, einen Katalysator durch enge Spalten oder Rohre
zu bewegen, wodurch sich hinsichtlich der Abmessungen von Spalten
oder Rohren, durch die ein Katalysator strömen soll, Einschränkungen
ergeben.
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Die
bekannten Reaktoren nach dem Stand der Technik sind also hinsichtlich
ihrer Wärmeübertragungsfähigkeit
stark eingeschränkt.
Plattenreaktoren weisen hinsichtlich des Zusatzmediums einige Vorteile
gegenüber
Rohrreaktoren auf, aber letztlich entsteht kein großer Nutzen,
da für
die Gesamtwärmedurchgangszahl
im Allgemeinen, wie oben erläutert,
die Prozessseite maßgebend
ist. Rohrreaktoren wiederum weisen hinsichtlich der mechanischen Leistungsfähigkeit
Vorteile gegenüber
Plattenreaktoren auf, da sie dem Druckunterschied zwischen dem Reaktantenfluid
und dem Wärmeaustauschfluid
besser widerstehen können.
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Es
gibt auch industrielle chemische Prozesse, bei denen die Reaktion
ohne Anwesenheit eines Katalysators abläuft. Solche Reaktionen werden
häufig
in der Flüssigphase
in einem mit Rührern
versehenen Tank (so genannter CSTR-Reaktor) durchgeführt und können kontinuierliche oder diskontinuierliche oder
halbdiskontinuierliche Prozesse sein.
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Die
Erwärmung
oder Abkühlung
von CSTR-Reaktoren erfolgt typischerweise entweder durch einen externen
Wärmeübertragungsmantel, eine
interne Wärmeübertragungsspule
oder durch Zirkulieren der Reaktanten durch einen externen Wärmeaustauscher.
Im Allgemeinen bieten sowohl ein externer Mantel als auch eine interne
Spule nur eine begrenzte Wärmeübertragungsfläche. Die
externe Wärmeübertragung
erfordert eine gepumpte Zirkulation und eine mangelhafte Vermischung
innerhalb des Reaktors kann zu einer beträchtlichen Abweichung zwischen
der Zusammensetzung des durch den externen Wärmeaustauscher zirkulierten Fluids
und der Zusammensetzung der durch Vermischung im Reaktor entstandenen
Fluidmasse führen. Letzteres
Problem tritt sehr wahrscheinlich während der Einleitung eines
Reaktanten in den Reaktor auf.
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Die
Fluidvermischung innerhalb eines CSTR-Reaktors hängt von solchen Faktoren wie
der Rührwerk-
und Stromstörerkonstruktion,
der Rührwerkgeschwindigkeit
und den physikalischen Eigenschaften des Reaktantengemisches ab.
Versuche der Gewährleistung
eines guten Vermischungsergebnisses führen häufig zu unbefriedigenden Ergebnissen
und oft dürfen
die Reaktionsbedingungen nicht optimal sein, um Variationen der
Reaktantenkonzentration zuzulassen.
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Aus
den oben skizzierten Unzulänglichkeiten ergibt
sich, dass einige Reaktionen durch die mangelhafte Wärmeübertragung
und/oder den mangelhaften Stoffübergang
mit dem sich daraus ergebenden Verlust der Reaktionsselektivität mit einer
Reaktorverweilzeit ablaufen, die viel länger ist, als die Reaktionskinetik
allein erfordern würde.
Außerdem
sind CSTR-Reaktoren durch eine im Wesentlichen vollständige Rückvermischung
von Reaktionsprodukten mit Reaktanten gekennzeichnet, was die Reaktionsgeschwindigkeit
hemmen und auch zu einem Produktverlust durch unerwünschte weitere
Reaktionen führen
kann. Die Erfindung ermöglicht
eine schnelle Reaktion mit begrenzter Wärmeübertragung mit einer wesentlich
verringerten Verweilzeit, wobei die Reaktion in mehreren aufeinander
folgenden Stufen mit jeweils geringer Verweilzeit abläuft und
die Annäherung
an das Prinzip des so genannten Plug-Flow-Reaktors gelingt.
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Unter
Berücksichtigung
des bisher Ausgeführten
besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung von
verbesserten Konstruktionen chemischer Anlagen und verbesserten
Betriebsverfahren dieser Anlagen zum Zwecke der Beseitigung oder
Entschärfung
der Nachteile der existierenden bzw. bereits vorgeschlagenen Konstruktionen
und Verfahren.
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Insbesondere
besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung einer
Vorrichtung und eines Prozesses zur Steuerung der Reaktionstemperatur
innerhalb eines akzeptablen Bereiches während des Ablaufes des chemischen
Prozesses durch ein Verfahren der indirekten Wärmeübertragung unter Verwendung
eines Wärmeaustauschfluids.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung, die im Folgenden noch ausführlicher
beschrieben werden soll, besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung
zur Steuerung der Reaktantentemperatur unter strenger Einhaltung
eines gewünschten
Profils, wobei das Ziel genauer gesagt darin besteht, im Rahmen
der Durchführbarkeit
im gewerblichen Maßstab die
Temperatur auf einem im Wesentlichen konstanten Niveau zu halten,
also eine akzeptable Annäherung
an eine isothermische Reaktionszone zu erreichen.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung einer
chemischen Anlage, die den bekannten Anlagen überlegen ist, da sie im Vergleich
zu diesen kostengünstiger
ist und weniger Platz beansprucht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Der
Lösungsansatz
der vorliegenden Erfindung für
die nach dem Stand der Technik auftretenden Probleme besteht in
der Verwendung von adiabatischen Abschnittsreaktoren und der Verbesserung der
Leistungsfähigkeit
dieser Reaktoren, wobei ein Reaktor konstruiert wird, der eine Reaktionszone
und plattenförmige
Wärmeaustauschmittel
aufweist, die während
des Betriebes mit der Reaktionszone in Verbindung stehen, um zu
Wärmeaustauschzwecken Reaktanten
entgegenzunehmen, wobei das Wärmeaustauschmittel
aus mehreren aufeinander geschichteten Metallplatten besteht, in
denen zum Beispiel durch Ätzen,
chemisches oder hydraulisches Fräsen gemäß einem
vorherbestimmten Muster Fluidströmungskanäle gebildet
worden sind, wobei die mit Kanälen
versehenen Platten während
der Aufeinanderschichtung aufeinander ausgerichtet werden, um voneinander
abgetrennte Wärmeaustauchbahnen
für Fluide
zu bestimmen, und durch Diffusion miteinander verbunden werden.
Die zu verwendenden Plattenaustauscher sind Tafeln, die durch Ätzen, chemisches
Fräsen
oder hydraulisches Schneiden hergestellt werden, wodurch eine Konstruktion
entsteht, die im Allgemeinen als leiterplattenartig bezeichnet wird,
da die hierbei häufig
gewählte
Art und Weise der Bestimmung und Bildung von Fluidkanälen der Herstellung
von Leiterplatten entspricht.
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Idealerweise
sind mehrere Wärmeaustauschtafeln
in die Reaktionszone eingebettet, wobei die Konstruktion dergestalt
ist, dass die Kontaktfläche
der Tafeln der Kontaktfläche
der Reaktionszone gleicht. Die Reaktionszone kann aus einem oder mehreren
Katalysatorbetten bestehen. Mehrere solcher Katalysatorbetten können nacheinander
angeordnet sein, wobei sich zwischen zwei benachbarten Betten jeweils
eine Wärmeaustauschtafel
befindet. Dabei sind typischerweise mindestens drei solcher Betten
nacheinander angeordnet.
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Der
gewählte
Wärmeaustauscher
besteht aus mehreren Platten, die aufeinander geschichtet und durch
Diffusion miteinander verbunden sind, um einen Plattenstapel zu
bilden, wobei in diesem Stapel im Zuge einer Vorbehandlung der Platten
Fluidkanäle bestimmt
werden, wobei jede Platte durch eine chemische und/oder mechanische
Behandlung zur Entfernung von Oberflächenmaterial bis zu einer gewünschten
Tiefe, zum Beispiel durch chemisches Ätzen oder hydraulisches Fräsen oder
durch Schneiden (zum Beispiel unter Einsatz eines Wasserstrahls),
entsprechend dem gewünschten
Kanalmuster wahlweise gestaltet wird. Die Art und Weise einer solchen
Vorbehandlung der Platten entspricht in gewissem Maße der Herstellung
von Leiterplatten (PCB), weshalb der hierin beschriebene Aufbau
des Reaktors als der eines Reaktors mit leiterplattenartigen Strukturen
(PCR) beschrieben werden kann. Desgleichen kann der so gebildete
Wärmeaustauscher,
der in den Reaktor eingebaut werden soll, als Wärmeaustauscher mit leiterplattenartigen
Strukturen (PCHE) beschrieben werden.
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Die
vorgeschlagene Reaktorkonstruktion bietet eine unbegrenzte Vielfalt
an Bahnen für
Zusatzwärmeaustauschfluide
und Reaktantenfluide mit sehr geringen Abmessungen, wodurch sich
der Prozess wesentlich besser steuern lässt. Die Kanäle haben
typischerweise sehr kleine Bohrungen von typischerweise weniger
als ca. 3 mm Tiefe. Diese Konstruktion eignet sich für die Herstellung
von solchen Wärmeaustauschern,
bei denen kleine Einheiten, die eine Vorstufe der Wärmeaustauschertafel
darstellen, problemlos zusammengefügt werden können, was zum Beispiel durch
Schweißen
erfolgen kann. Außerdem
können
Reaktorkonstruktionen, bei denen die Dicke der PCHE-Tafeln und Katalysatorbetten
je nach Reaktorabschnitt unterschiedlich ist, bereitgestellt werden.
Die Zusammensetzung des Katalysators kann in Abhängigkeit von den jeweiligen
Prozessvoraussetzungen und zum Zwecke der Produktionsoptimierung
in jedem Abschnitt die gleiche oder eine andere sein.
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Die
Erfindung ist auch auf nichtkatalytische Prozesse anwendbar, wobei
eine oder mehrere Reaktorabteilungen vorhanden sein können, die
am Einlass und/oder Auslass durch frühere oder PCHE-Wärmeaustauscher
begrenzt werden. Mögliche
Ausführungsformen
dieses Reaktors, bei denen eine bzw. mehrere Reaktorabteilungen
mit geeigneten Abmessungen an die Stelle des einen bzw. der mehreren
katalytischen Betten tritt/treten, und die oben beschriebenen katalytischen
Reaktoren können
als analog betrachtet werden.
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Wenn
die Reaktantenfluide vermischt werden müssen, kann die am Einlass befindliche PCHE-Tafel
Strömungskanäle einschließen, die
zum Vorwärmen
jedes Reaktantenfluids auf die gewünschte Eintrittstemperatur
dienen und gleichzeitig zwei oder mehr Fluide durch die Kombination
einzelner Kanäle
miteinander kombinieren, wodurch eine gleichmäßige und innige Vermischung
der Reaktantenfluide erreicht wird.
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Weiterhin
leuchtet ein, dass eine stufenweise Einleitung eines Reaktanten
einfach dadurch erreicht werden kann, dass die Verteilung des Reaktanten über nacheinander
angeordnete PCHE-Tafeln, die jeder Reaktionsabteilung vorangehen,
erfolgt.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sich das Reaktantentemperaturprofil
genau steuern und an die einzelnen aufeinander folgenden Reaktionsabteilungen
anpassen lässt,
so dass die Reaktionsbedingungen hinsichtlich der schwankenden Reaktanten-
und Produktkonzentrationen optimiert werden können. Durch eine genaue Temperatursteuerung
lässt sich
eine vorübergehende
oder örtliche Überhitzung
von Reaktanten oder Produkten vermeiden. Das spielt besonders dort
eine Rolle, wo einer der Reaktanten besonders wärmeempfindlich ist und im Falle
einer unvollständigen
Vermischung thermisch geschädigt
werden kann. Weiterhin wird durch die Annäherung an das Prinzip des Plug-Flow-Reaktors die
Rückvermischung
wesentlich reduziert und können
unerwünschte
Reaktionen vermieden werden. Folglich können der Grad der Umwandlung
während
der Reaktion, die Ausbeute und die Produktqualität verbessert werden.
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Ein
weiterer großer
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine innige und gleichmäßige Vermischung
erreicht wird, ohne dass dazu ein Rührwerk verwendet wird. Das
führt zu
Energieeinsparungen und es fallen keine Kosten für die Wartung von Rührerklagern
und Wellendichtungen an.
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Auch
wird durch die Reduzierung der erforderlichen Verweilzeit die Füllmenge
der Reaktanten und Produkte stark verringert. Wesentliche Verbesserungen
der Prozesssicherheit werden dort erreicht, wo die Reaktanten oder
Produkte gefährlich,
zum Beispiel giftig oder leicht entzündlich sind.
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Sämtliche
im Reaktor verwendeten Wärmeaustauscher
sind Tafeln, die durchgängig
Wärmeaustauscher
mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) sind. Bei einer solchen
Anordnung sind die Dimensionen der Wärmeübertragung typischerweise geringer
als die Dimensionen der Katalysatorteilchen, wodurch gewährleistet
wird, dass die Temperaturprofile, die der Wärmeübertragung auf Fluide in Kanälen innewohnen,
in Bezug auf die Größe der Katalysatorteilchen
nicht signifikant sind. Auch sind die Dimensionen der Wärmeübertragung
im Vergleich zur Betttiefe relativ gering, so dass alle Kanaltemperaturprofile
nur einen sehr kleinen Teil der einzelnen Katalysatorbettlängen einnehmen,
typischerweise zum Beispiel bis zu ca. 200 mm. Das steht im deutlichen
Gegensatz zur Verwendung von Austauscherrohren mit einem Außendurchmesser
von etwa 25 mm nach dem Stand der Technik, die stromabwärts in hohem
Maße Sogströmungen in
den Temperaturprofilen verursachen, die dann notwendigerweise einen
Maßstab
haben, der bedeutend größer als
die einzelnen Katalysatorteilchen ist, und sich über mindestens einen bedeutenden
Teil jedes Katalysatorbettes erstrecken.
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Die
Katalysatorform kann variabel sein. Die Auswahl kann dabei zum Beispiel
aus kugelförmigen Körpern, zylindrischen
Körpern,
Hohlkörpern,
festen Teilchen, expandierten Festkörpern, porösen Festkörpern, umhüllten Matrixkatalysatoren oder
Katalysatoren mit ähnlichen
Trägern
erfolgen. Für
gewöhnlich
wird erwogen, Teilchen mit einer Größe von bis zu ca. 10 mm (Außenabmessung)
zu verwenden.
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Vorzugsweise
wird das potenzielle Eintreten der Katalysatorteilchen in die Kanäle des PCHE durch
ein Sieb eingeschränkt,
das Idealerweise aus einem strapazierfähigen Geflecht besteht, das
Katalysatorteilchen bei Betriebstemperaturen zurückhalten kann.
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Das
Wärmeübertragungsmittel
kann ein Gas oder eine Flüssigkeit
ohne Phasenumwandlung oder je nach Prozess (exotherm oder endotherm)
entweder ein Siede- oder ein Kondensationsfluid sein. Es wird auch
in Betracht gezogen, dass Reaktanten während des Reaktionsprozesses
vor dem Eintritt in die katalytische Reaktionszone als Wärmeübertragungsmittel
verwendet werden können,
wodurch ein Schritt des Vorwärmens
der Reaktanten ermöglicht wird.
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Die
Dicke der PCHE-Tafel kann mit dem Ziel gewählt sein, den Druckabfall zwischen
den katalytischen Zonen zu minimieren (beispielsweise bis zu ca.
100 mm). Dadurch können
auch die PCHE-Wärmeübertragungsfläche und
das Katalysatorbettvolumen im Interesse einer Kosten sparenden Konstruktion
aufeinander abgestimmt werden, was bei den beschichteten Kanälen oder
gepackten Platten oder Rohren nach dem Stand der Technik Schwierigkeiten bereitet.
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Die
Konstruktion der PCHE-Tafel ermöglicht variable
Kanallängen
und – gestaltungen,
zum Beispiel gekrümmte
Bahnen mit Windungen und/oder Zickzacks zur Förderung der Wärmeübertragung. Das
gestattet eine größere Annäherung zwischen den
Temperaturen der Reaktanten und des Wärmeübertragungsmittels und ermöglicht Temperaturprofile im
System, die im größeren Einklang
mit den Konstruktionsparametern stehen.
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Der
Lösungsansatz
der vorliegenden Erfindung für
die sich nach dem Stand der Technik ergebenden Nachteile besteht
weiterhin in der Bereitstellung eines Prozesses zur Umwandlung eines
Fluidreaktanten, wobei in dem erfindungsgemäßen Prozess ein Reaktor verwendet
wird, der eine Reaktionszone, die aus einem oder mehreren Katalysatorbetten
bestehen kann, und plattenförmige
Wärmeaustauschmittel,
die während
des Betriebes mit der Zone in Verbindung stehen, aufweist und voneinander
abgetrennte Fluidbahnen zum Wärmeaustausch
zwischen Fluiden bei unterschiedlichen Temperaturen bei gleichzeitiger
Vermeidung des Vermischens der Fluide hat, wobei im Laufe des Prozesses
die geeignete Fluidreaktantenart, die in der Reaktionszone innerhalb
des Reaktors umzuwandeln ist, bereitgestellt und auf einer vorherbestimmten
Reaktionsstufe mindestens ein Teil der Fluidreaktantenart in eine
Reaktantenfluidbahn inner halb der Wärmeaustauschmittel eingeleitet
und auch ein Zusatzfluid bei einer von der Temperatur der Fluidreaktantenart
abweichenden Temperatur in eine andere Fluidbahn, die sich innerhalb
der Wärmeaustauschmittel
neben der ersten Fluidbahn befindet, eingeleitet wird, wodurch die
jeweiligen Bahnen dadurch, dass sie voneinander abgetrennt sind,
einen indirekten Wärmeaustausch
zwischen der Fluidreaktantenart und dem Zusatzfluid gestatten, wobei
der Prozess fakultativ in aufeinander folgenden Stufen wiederholt
wird.
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Gemäß einer
Modifizierung des Prozesses können
in nachfolgenden Katalysatorbettabschnitten zusätzliche Fluidreaktantenarten
eingeleitet werden. Somit erlaubt die vorgeschlagene Reaktorkonstruktion,
obgleich beabsichtigt ist, dass der Prozess wie bei den bekannten
adiabatischen Abschnittsreaktorsystemen eine Reihe von Abschnitten
durchlaufen kann, eine bessere Prozesssteuerung, und zwar nicht
nur hinsichtlich des Umgangs mit der Wärme, sondern auch in Bezug
auf die Steuerung der chemischen Reaktion.
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Unter
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird somit eine Vorrichtung
zur Steuerung des Temperaturprofils eines Reaktantenfluids in Anwesenheit
eines Katalysators während
einer endothermen oder exothermen chemischen Reaktion bereitgestellt,
aufweisend einen Reaktor mit Reaktantenfluideinlassmitteln und Reaktantenfluidauslassmitteln,
katalytische Betten zwischen dem Einlass und dem Auslass, wobei
ein Wärmeaustauscher
mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) einen Zwischenraum zwischen
den Betten herstellt, wobei der Wärmeaustauscher Wärmeaustauschfluideinlassmittel, Wärmeaustauschfluidauslassmittel,
einen ersten Kanal oder eine erste Gruppe von Kanälen zur
Durchleitung des Wärmeaustauschfluids
und einen zweiten Kanal oder eine zweite Gruppe von Kanälen aufweist,
wobei der zweite Kanal oder die zweite Gruppe von Kanälen mit
den angrenzenden katalytischen Betten zur Ermöglichung des Transports des
Reaktantenfluids von einem katalytischen Bett zum nächsten,
aber nicht mit dem Reaktantenfluid in Verbindung steht.
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Die
Wände des
katalytischen Bettes sind vorzugsweise mit einem Sieb aus einem
feinen Geflecht ausgekleidet und bestehen im Idealfall zumindest
teilweise aus Platten des erwähnten
Wärmeaustauschertyps.
Das Geflecht setzt der Wanderung des Katalysators in die Reaktantenfluidaufnahmekanäle des Wärmeaustauschers
hinter der katalytischen Reaktionszone Widerstand entgegen.
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Der
bzw. jeder Wärmeaustauscherstapel kann
aus einem Stück
oder Block aufeinander geschichteter Platten durch Zerteilen, zum
Beispiel durch Schneiden in einzelne Scheiben mit einer gewünschten
Abmessung gebildet werden, wodurch sehr schlanke Konstruktionen
möglich
sind.
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So
verläuft
bei einer Konstruktionsvariante solch ein erster Kanal oder solch
eine erste Gruppe von Kanälen
senkrecht zu solch einem zweiten Kanal oder solch einer zweiten
Gruppe von Kanälen.
Bei einer alternativen Konstruktionsvariante verlaufen die jeweiligen
Kanäle
parallel zueinander. Natürlich
würde man
die Konstruktion im Allgemeinen so gestalten, dass nebeneinander
angeordnete Kanäle
einerseits Reaktantenfluidarten bzw. andererseits ein Zusatzfluid
enthalten, um die gewünschte
Wärmeübertragung
zu bewerkstelligen. Auf diese Art und Weise wird eine indirekte
Temperatursteuerung ohne eine Vermischung der Reaktantenfluide mit
den Zusatzfluidmitteln erreicht.
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Die
Gestaltung der PCHE-Tafel kann Platten einschließen, die auf einer oder beiden
Seiten mit geätzten
Kanälen
versehen sind, und die Tafel kann eine Baugruppe gestapelter Platten
aufweisen, die aus Platten ohne geätzte Oberflächen (unbehandelte Platten)
mit geeigneterweise daneben angeordneten geätzten Tafeln besteht, um in
der fertigen Tafel eine gewünschte
Kanalbaugruppe zu bilden. Die gestapelten Platten bilden dadurch
eine lamellenförmige Baugruppe
aus aufeinander geschichteten Metallplatten, in denen gemäß einem
vorherbestimmten Muster Fluidströmungskanäle angeordnet
sind, wobei die mit Kanälen
versehenen Platten während
der Aufeinanderschichtung aufeinander ausgerichtet werden, um voneinander
abgetrennte Wärmeaustauchbahnen
für Fluide
zu bestimmen, und aus der Baugruppe durch Diffusionskontaktherstellung
eine einheitliche Wärmeaustauschertafel
entsteht.
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Das
Profil der Kanäle,
also das Querschnittsprofil senkrecht zum Strömungsweg, ist im Allgemeinen
nicht kritisch. Es werden aber üblicherweise zylindrisch
gewölbte
Formen verwendet. Diese lassen sich relativ problemlos durch chemisches
oder hydraulisches Fräsen
herstellen. Bei Bedarf können aber
auch unter Einsatz eines geeigneten Werkzeuges in Kombination mit
dem chemischen oder hydraulischen Verfahren andere Profile gebildet
werden.
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Es
versteht sich, dass die Platten, auf deren Oberflächen durch Ätzen oder
ein ähnliches
Verfahren die geeigneten Kanäle
bestimmt worden sind, aufeinander gestapelt und durch Diffusion
miteinander verbunden werden, um Wärmeaustauschertafeln zu bilden,
und dass derart gebildete Tafeln bei Bedarf aneinander angrenzend
angeordnet und zum Beispiel durch Schweißen miteinander verbunden werden
können,
um eine größere Tafel
von gewünschter Höhe und Breite
zu schaffen, um eine Anpassung an die erforderliche Querschnittsfläche des
Katalysatorbettes zu gewährleisten.
In manchen Fällen
werden geeigneterweise unbehandelte Platten (ohne geätzte Oberflächen) verwendet,
um eine Tafel zu vervollständigen
und die offene Seite von Kanälen
zu schließen,
die in einer benachbarten, geätzten
Platte vorhanden sind. Wenn hier von Tafeln die Rede ist, so geschieht
das auch praktischen Gründen
und soll keine Begrenzung der Abmessungen nahe legen. Es ist jedoch
offensichtlich, dass die Abmessungen der Wärmeaustauschereinheit je nach
gewählter
Reaktorgestaltung schwanken und dass gegenwärtig erhältliche Fertigungsgeräte einige
der praktischen Durchführbarkeit
geschuldete Einschränkungen
hinsichtlich der Tafelgröße mit sich
bringen können, wenn
die Tafel nur aus einem Stück
gebildet wird. Wenn relativ große
Tafeln gebildet werden sollen, können
solche der praktischen Durchführbarkeit
geschuldeten Einschränkungen
leicht überwunden
werden, indem mehrere Tafeln, deren Größe Ausdruck des Leistungsvermögens der
erhältlichen
Geräte
ist, aneinander angrenzend angeordnet und in einem geeigneten Verfahren,
zum Beispiel durch Schweißen, miteinander
verbunden werden. Auf diese Art und Weise können PCHE-Tafeln von unterschiedlicher Form
und Größe konstruiert
werden.
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Während des
Betriebes eines solchen PCR-Reaktors kann der Strom des Wärmeaustauschfluids
in eine Richtung gelenkt werden, die im Wesentlichen senkrecht zur
Richtung des Reaktantenstromes verläuft. Die Strömungsrichtungen
können
aber auch im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und je nach
Entscheidung des Bedieners, der die Bedingungen des jeweils zu steuernden
Reaktionsprozesses berücksichtigt,
entweder durch das Mitstrom- oder das Kreuzstromprinzip gekennzeichnet
sein.
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Die
Erfindung soll in erster Linie im Zusammenhang mit Reaktionen verwendet
werden, bei denen heterogene Katalysatorsysteme zum Einsatz kommen.
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In
Abhängigkeit
von den konkreten Reaktionsbedingungen kann die Reaktion durch die
Bereitstellung von mehr als einem Katalysator und insbesondere durch
die Bereitstellung von unterschiedlichen Katalysatoren in separaten
katalytischen Betten optimiert werden.
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Dem
Fachmann ist bekannt, dass das Wärmeaustauschfluid
eine Flüssigkeit
oder ein Gas sein kann. Typischerweise gehören zu solchen Fluiden geschmolzene
Salze, geschmolzene Metalle oder heißes Wasser zur Bereitstellung
flüssiger
Zusatzmedien oder heiße
Gase, Dampf oder überhitzter Dampf,
wodurch Wärme
einem Reaktionssystem indirekt zugeführt werden kann. Im umgekehrten
Fall können
scharf abgekühlte
Flüssigkeiten
oder Gase verwendet werden. Im Zusammenhang mit der Reaktion zur
Umwandlung der Fluidreaktantenart werden Chemieingenieure bei ihren
Bemühungen,
das benötigte
Zusatzfluid in Einklang mit den Prozessanforderungen zu bringen,
ohne weiteres die breite Palette der zur Verfügung stehenden Zusatzarbeitsmedien
in Betracht ziehen und die notwendigen Überlegungen hinsichtlich ungebundener
und gebundener Wärme anstellen.
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Zur
Optimierung des Temperaturprofils des Reaktantenfluids innerhalb
des Reaktors kann jeder Wärmeaustauscherstapel
oder jeder Zusatzfluidmedienkanal bzw. jede Gruppe von Kanälen ein
unterschiedliches Zusatzfluid enthalten.
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Unter
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden zusätzliche
Mittel bereitgestellt, um dem oben erwähnten Reaktor eine besondere
Eignung zur Verwendung als Fließbettreaktor
zu verleihen, wobei diese zusätzlichen
Mittel Katalysatoreinlassmittel, Katalysatorauslassmittel und Mittel zum
Einbringen von neuem oder regeneriertem Katalysator in die Katalysatoreinlassmittel
sowie weitere Mittel zum Entfernen von Katalysator aus den Katalysatorauslassmitteln
umfassen. Vorzugsweise wird zugelassen, dass sich der Katalysator
unter dem Einfluss der Schwerkraft zum Katalysatorauslass hin bewegt.
Dem Fachmann sind noch andere Verfahren bekannt, nach denen Fließbettreaktoren
funktionieren können,
und der Schutzbereich der Erfindung soll nicht auf das konkrete
Verfahren, das hierin beschrieben ist, beschränkt werden.
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Bei
einem solchen Fließbettreaktor
beträgt die
Bettbreite ein Vielfaches des Katalysatordurchmessers, vorzugsweise
mindestens das Dreifache dieses Durchmessers.
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Unter
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Prozess
zur indirekten Steuerung des Temperaturprofils eines Reaktionsfluids
in Anwesenheit eines Katalysators während einer endothermen oder
exothermen chemischen Reaktion bereitgestellt, umfassend den Transport
eines Reaktantenfluids von einem Reaktantenfluideinlassmittel in
einem Reaktor zu einem ersten katalytischen Bett vor dem Hindurchleiten
durch einen ersten Kanal oder eine erste Gruppe von Kanälen in einem
Wärmeaustauscher
mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) und den anschließenden Transport
zu einem weiteren katalytischen Bett, den Transport eines Wärmeaustauschfluids
von einem Wärmeaustauscheinlassmittel
durch einen zweiten Kanal oder eine zweite Gruppe von Kanälen im Wärmeaustauscher mit
leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) zu einem Wärmeaustauschauslassmittel
und den Wärmeaustausch
zwischen dem Wärmeaustauschfluid
und dem Reaktantenfluid während
des Strömens
durch den Wärmeaustauscher
mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE), wobei die Reaktionsprodukte das
katalytische Bett schließlich
verlassen, indem sie zu einem Reaktionsfluidauslassmittel transportiert werden.
Der Prozess ist gemäß den Prozessanforderungen
für eine
unbestimmte Anzahl von katalytischen Betten mit entsprechenden PCHE-Wärmeaustauschern
wiederholbar.
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In
einer alternativen Ausführungsform
umfasst der Prozess zur Steuerung des Temperaturprofils eines Reaktionsfluids
in Anwesenheit eines Katalysators während einer endothermen oder
exothermen Reaktion außerdem
den Transport eines Katalysators durch das katalytische Bett, wobei
der Katalysator das Bett verlässt
und durch einen neuen oder regenerierten Katalysator ersetzt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
fließt das
Wärmeaustauschfluid
in eine Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des
Reaktantenstromes verläuft.
Die Strömungsrichtungen
können
aber auch im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und entweder
durch das Mitstrom- oder das Kreuzstromprinzip gekennzeichnet sein.
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Wie
bereits nach dem Stand der Technik bekannt ist, kann das Wärmeaustauschfluid
eine Flüssigkeit
oder ein Gas sein. Zu solchen Fluiden gehören zum Beispiel geschmolzene
Salze, geschmolzene Metalle, Siedewasser, Dampf oder überhitzter Dampf.
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Es
ist offensichtlich, dass die Erfindung im weitesten Sinne ein in
Abschnitte unterteiltes Reaktionssystem bereitstellt, das nacheinander
angeordnete chemische Reaktionszonen und Wärmeübertragungszonen enthält, wobei
Letztere Wärmeübertragungsflächen von
Platten enthalten, in die gemäß einem
vorherbestimmten Muster Mikrokanäle
eingeätzt
sind, und das eine optimale indirekte Wärmeübertragung sowie eine individuelle
thermische Vorbereitung von Fluidreaktanten auf die nächste Reaktionszone
durch die Wahl des Einlasskanals und seiner Beziehung zu benachbarten
Zusatzfluidkanälen ermöglicht.
Das System kann speziell für
die Bearbeitung von Substanzen mit unterschiedlichen Flüchtigkeiten
ausgelegt sein.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Nun
sollen nicht einschränkende
Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
werden, in denen:
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1 ein
Seitenaufriss eines Teils eines erfindungsgemäßen Reaktors ist;
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2 das
Temperaturprofil einer hochgradig exothermen Reaktion zeigt, wobei
durch „heiße Flecken" hervorgerufene Probleme
veranschaulicht werden;
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3 im
Gegensatz zu 2 das Temperaturprofil einer
exothermen Reaktion zeigt, die mittels eines erfindungsgemäßen Rohrreaktors
gesteuert wird; und
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4 einen
Reaktor mit leiterplattenartigen Strukturen in Seitenansicht (4(a)) und in einer Ansicht seiner Stirnwand (4(b)) zeigt.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Zeichnungen zeigt 1 einen Reaktor 1,
durch den ein zu verarbeitendes Reaktantenfluid geleitet wird, mit
einem Reaktantenfluideinlass 2 und einem (nicht gezeigten)
Reaktantenfluidauslass.
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Der
Reaktor 1 weist mindestens ein katalytisches Bett 4 auf.
Wenn die Vorrichtung ein Fließbettreaktor
ist, ist das katalytische Bett 4 im Wesentlichen senkrecht
angeordnet, um die Bewegung des Katalysators durch die Kammer zu
erleichtern.
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Neben
dem katalytischen Bettreaktor 4 befinden sich Wärmeaustauscher
mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) 5. In den PCHE-Wärmeaustauschern 5 sind
mindestens zwei Gruppen von Kanälen
ausgebildet, wobei eine erste Gruppe von Kanälen 6 dem Transport
des Reaktantenfluids von einem ersten katalytischen Bett 4 zu
einem zweiten katalytischen Bett dient und das Wärmeaustauschfluid durch eine
zweite Gruppe von Kanälen 7 strömt. Der erste Wärmeaustauscher
der PCHE-Wärmeaustauscher 5,
der mit dem Reaktantenfluideinlass 2 in Verbindung steht,
schließt
Vorwärmkanäle 3 ein.
Diese Vorwärmkanäle 3 sind
zusätzliche
senkrechte Kanäle,
durch die ein Wärmeaustauschfluid
strömt
und die Reaktanten auf eine für
die Reaktion geeignete Temperatur erwärmt, bevor die Reaktanten in
das erste katalytische Bett 4 eintreten. In diesem Beispiel
verlaufen die Vorwärmkanäle 3 in
einer willkürlich
gewählten
Anordnung dreimal quer durch den Reaktantenstrom.
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Wahlweise
ist ein Sieb aus einem feinen Geflecht vorhanden, dessen Abmessungen
auf die Größe der Katalysatorteilchen
abgestimmt sind. Dieses Sieb bedeckt die Enden der Reaktantenfluidkanäle neben
den katalytischen Betten, um die Wanderung des Katalysators in diese
Kanäle,
insbesondere in die dem Katalysator nachgelagerten Kanäle, zu verhindern
und dadurch die Gefahr von Blockierungen, die die Strömung behindern,
zu verringern.
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Die
Kanäle
werden durch Zusammenfügen einzelner
Platten gebildet, wobei in mindestens eine Oberfläche jeder
Platte Kanäle
eingearbeitet sind, was zum Beispiel durch Fräsen oder Ätzen geschehen kann. Zur Vermeidung
von Rissen sollte jedes Verfahren zum Zusammenfügen benachbarter Platten ohne
Beeinträchtigung
der gefrästen
oder geätzten
Kanäle
angewendet werden. Daher sind herkömmliche Schweißverfahren
nur bedingt geeignet. Dagegen gewährleisten Verfahren der Diffusionskontaktherstellung
eine solche rissfreie Konstruktion. Bei der Diffusionskontaktherstellung
werden die Platten unter Druck gesetzt und bis auf eine Temperatur nähe dem Schmelzpunkt
des Plattenmetalls erwärmt,
wodurch das grenzüberschreitende
Kornwachstum gefördert
wird. Dadurch können
die Platten auch an jeden Kanal angrenzend zusammengefügt werden,
wodurch die mechanische Leistungsfähigkeit der Kanäle erhöht wird
und größere Druckunterschiede
zwischen dem Reaktantenfluid und dem Wärmeaustauschfluid zugelassen
werden können. Die
Eignung dieser Wärmeaustauscherkonstruktion ist
durch die Konstrukteure des vorgeschlagenen PCR seit dem Jahr 1985,
als Heatric seine kompakten Wärmeaustauscher
mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) einführte, unter Beweis gestellt
worden. Die An wendung des Verfahrens der Diffusionskontaktherstellung
wird heutzutage von Fachleuten auf dem hier behandelten Gebiet beherrscht.
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Die
Konstruktionsweise solcher Wärmeaustauscher
erhöht
auch die Wärmeaustauschrate
bei einem vorgegebenen Volumen, wodurch für die jeweilige Reaktion weniger
Platz beansprucht wird. Somit bringt die Einbeziehung solcher Wärmeaustauscher
in eine kundenspezifische Reaktorkonstruktion bisher unvorhergesehene
Vorteile mit sich.
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In
Abhängigkeit
von den Leistungsanforderungen des Reaktors 1 können zusätzliche
katalytische Betten 4 bereitgestellt werden, zwischen denen zusätzliche
Wärmeaustauscher 5 Zwischenräume herstellen.
Das am Ende der Reihe der katalytischen Betten 4 angeordnete
Bett steht mit den Reaktantenfluidauslassmitteln in Verbindung,
um den Austritt der Reaktionsprodukte aus dem Reaktor 1 zu
ermöglichen.
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In
der alternativen Ausführungsform,
in der die Vorrichtung zur Verwendung als Fließbettreaktor geeignet ist,
sind (nicht gezeigte) Katalysatorauslassmittel neben dem unteren
Ende jedes katalytischen Bettes 4 vorhanden, durch die
der Katalysator unter dem Einfluss der Schwerkraft gedrängt wird. Der
Katalysator, der die katalytischen Betten 4 verlässt, kann
einem Regenerator zugeführt
und dann durch (nicht gezeigte) Katalysatoreinlassmittel neben dem
oberen Ende jedes katalytischen Bettes 4 eingeleitet werden.
Es ist auch möglich,
nach dem Austritt von Katalysatormaterial aus den Auslassmitteln
neues Katalysatormaterial durch die Katalysatoreinlassmittel einzuleiten.
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Somit
fördert
die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Serie von adiabatischen Reaktionen, wobei die Temperatur des
Reaktantenstromes zwischen aufeinander folgenden Reaktionen geändert wird,
um die Reaktionstemperatur innerhalb eines akzeptablen Bereiches
zu halten und so das gewünschte
Temperaturprofil zu erreichen.
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2 veranschaulicht
das Temperaturprofil einer mangelhaft gesteuerten exothermen Reaktion (Phthalsäureanhydridproduktion),
die typisch für
einen Rohrreaktor ist. Hier treten in starkem Maße „heiße Flecken" auf. Eine übermäßige Eintrittstemperatur führt zur
thermischen Instabilität,
die unter diesen Bedingungen, die durch „heiße Flecken" beeinträchtigt werden, eine Einschränkung der
Zufuhr von o-Xylol mit sich bringt. Im Gegensatz dazu ermöglicht ein
Reaktor mit 24 Katalysatorbetten unter Einschluss von PCHE-Abschnitten
zwischen Katalysatorbetten einen gut steuerbaren Prozess, der das
in 3 gezeigte Temperaturprofil aufweist. Aus 3 geht
hervor, dass die Temperatur im Katalysatorbett (Prozessverlauf von
links nach rechts) ansteigt, während der
Wärmeaustausch
durch einen deutlichen Rückgang
gekennzeichnet ist. Die Anwendung einer geringen Eintrittstemperatur
und der Einsatz kurzer Katalysatorbetten (ca. 125 mm) sind selbst
dann sehr wirksame Sicherheitsmaßnahmen gegen thermische Instabilität, wenn
o-Xylol in einer höheren
Konzentration zugeführt
wird, als dass typischerweise bei einem Rohrreaktor möglich ist.
Die Durchschnittstemperatur steigt jedoch mit fortschreitender Wanderung der
Reaktanten durch aufeinander folgende katalytische Betten steuer-
und vorhersehbar nach und nach an, um eine erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit
in späteren
Abschnitten zu ermöglichen,
wo die Gefahr der thermischen Instabilität wesentlich geringer ist.
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Die
Anzahl der zu verwendenden Wärmeaustauscher
wird nach Verfahren berechnet, die dem Fachmann bekannt sind, um „heiße Flecken" zu vermeiden und
zu ermöglichen,
dass der Prozess mit einer höheren
Beschickung pro Einheit der Fließgeschwindigkeit abläuft.
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4 zeigt
einen Reaktor mit leiterplattenartigen Strukturen 11, der
sich zur Verwendung bei der Phthalsäureanhydridproduktion eignet.
Dieser Reaktor hat einen Reaktantenfluideinlass 12 zur
Aufnahme eines zu verarbeitenden Reaktantenfluids und einen Fluidauslass 13 zur
Gewinnung eines Produktes.
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Der
Reaktor 11 weist mindestens ein katalytisches Bett 14 auf,
das mit dem Reaktantenfluideinlass 12 in Verbindung steht.
Neben dem katalytischen Bettre aktor 14 befinden sich Wärmeaustauscher
mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) 15.
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Beschriftung der Zeichungen
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Die
1 bis
4b enthalten folgende Begriffe (in alphabetischer
Reihenfolge):
| Bed
length | Bettlänge |
| Coolant
headers | Kühlmittelsammler (Mehrzahl) |
| Coolant
inlet header | Kühlmitteleinlasssammler
(Einzahl) |
| Coolant
outlet header | Kühlmittelauslasssammler
(Einzahl) |
| Inlet
flow equaliser and pre-heater | Einlassströmungsregler und
Vorwärmer |
| Ortho
xylene feed | Orthoxylolzufuhr |
| Outlet
flow equaliser and post-cooler | Auslassströmungsregler und
Nachkühler |
| Phthalic
anhydride PCR | Reaktor
mit leiterplattenartigen Strukturen für Phthalsäureanhydridproduktion |
| Phthalic
anhydride PCR bed temperature profile | Betttemperaturprofil
eines Reaktors mit leiterplattenartigen Strukturen für Phthalsäureanhydridproduktion |
| Phthalic
anhydride tubular reactor temperature profile | Temperaturprofil
eines Rohrreaktors für
Phthalsäureanhydridproduktion |
| Reactant
headers | Reaktantensammler (Mehrzahl) |
| Reactants | Reaktanten |
| Reactants
inlet | Reaktanteneinlass |
| Reactants
outlet | Reaktantenauslass |
| Temperature | Temperatur |