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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist auf das Gebiet der chemischen Verfahrenstechnik anwendbar und bezieht sich insbesondere auf Verbesserungen von 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 die Reaktantentemperatur indirekt mittels eines Wärmeaustauschfluids in einem gewünschten Profil gehalten wird.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Bei den meisten chemischen Prozessen besteht ein Wärmebedarf oder eine Notwendigkeit einer Wärmeableitung. Daher ist eine große Auswahl von chemischen Anlagen am Enthalten oder Transportieren von Fluiden beteiligt, wobei die Fluide während einer Stufe des Prozesses entweder erwärmt oder abgekühlt werden müssen. Es können Öfen, Verdampfer, Destillationsanlagen, Trockner und Reaktionsgefäße in Betracht gezogen werden, bei denen sich die Wärmeübertragung als Problem hinsichtlich der Konstruktion und des Betriebs darstellt. Insbesondere setzen viele industrielle chemische Prozesse Reaktoren ein, bei denen Reaktionen unter gegebenen Temperatur- und Druckbedingungen in Anwesenheit eines Katalysators herbeigeführt werden. Fast all diese Reaktionen erzeugen oder absorbieren Wärme, d. h. sie sind exotherm oder endotherm. Die Kühlwirkungen für endotherme Reaktionen beeinträchtigen im Allgemeinen die Reaktionsgeschwindigkeit und die entsprechenden Parameter, wie die Umwandlung und die Selektivität der Produkte aus der Reaktion. Die ungesteuerte Erwärmung von exothermen Reaktionen führt im Allgemeinen zur Beschädigung der zugehörigen 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 unerwünschte Wirkungen zur Folge haben, wie die Deaktivierung eines Prozesskatalysators. Während des Weiteren ein idealer Katalysator theoretisch nicht an einer Reaktion teilnimmt, werden in der Realität viele Katalysatoren bei fortschreitender Reaktion abgebaut oder vergiftet und die mit der Regeneration oder dem Austausch von Katalysatoren verbundenen Kosten stellen im gewerblichen Maßstab eine beträchtliche Belastung dar.
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Es versteht sich, dass derartige Kosten auch die Stillstandszeit für die Anlage oder Einschränkungen der Kapazität beinhalten müssen, wenn ein bestimmter Reaktor zum Zwecke der Katalysatorregeneration außer Betrieb genommen werden muss. Es ist folglich wünschenswert, die Lebensdauer eines Katalysatorbettes hinsichtlich des beträchtlichen finanziellen Nutzens, der insgesamt erzielbar ist, zu verlängern. Die hierin im Folgenden beschriebene Erfindung eignet sich auf ideale Weise für die Verwendung bei der Konstruktion von katalytischen Reaktoren, kann aber auch an andere Verwendungszwecke angepasst werden. Es wird kein Unterschied hinsichtlich der Anwendung dieser auf diskontinuierlich oder kontinuierlich arbeitende Reaktionssysteme gemacht.
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Fachmänner erkennen, dass eine Steuerung für die sich aus den Erwärmungs- oder Kühlwirkungen der Reaktionen ergebenden Temperaturänderungen von Nutzen ist. Es ist wohl bekannt, dass das Halten der Temperatur auf einem bestimmten konstanten Wert zu beträchtlichen Vorteilen in Bezug auf die Reaktion führen kann, wie eine verbesserte Umwandlung und Selektivität, eine verlängerte Lebensdauer des Katalysators und der zugehörigen Vorrichtung, verringerte Gehalte von unerwünschten Nebenprodukten usw. In einigen Fällen kann ein 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 gewöhnlich verwendeten in Standardwerken und -texten erörtert werden, z. B. könnte man die allgemeinen Lehren von Octave LEVENSPIEL in Kapitel 19 von Chemical Reaction Engineering in Betracht ziehen. Die relativen Vorzüge jedes Lösungsansatzes werden darin ebenfalls erörtert.
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Die Temperatur im Inneren von Reaktoren wurde gewöhnlich dadurch gesteuert, dass ein Zusatzwärmeaustauschfluid durch Rohre geleitet oder zwischen Platten hindurchgeleitet wird, wobei diese ein Wärmeübertragungsleitungsmedium oder eine Wärmebrücke bilden, während die Reaktantenart vom Zusatzwärmeaustauschfluid getrennt wird. Es versteht sich folglich, dass in einem solchen indirekten Wärmeübertragungssystem einerseits ein Prozessweg oder eine Prozesszone und andererseits ein Zusatzfluidweg oder eine Zusatzfluidzone vorhanden ist, die durch die Rohrwand bzw. Rohrwände oder die Plattenoberfläche bzw. Plattenoberflächen getrennt sind.
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Wenn man dieses wohl bekannte Konzept in Bezug auf Reaktoren mit Katalysatorfestbetten betrachtet, wird ein Reaktantenfluid durch das Katalysatorbett geleitet und die Reaktionswärme darin wird dadurch gesteuert, dass die Katalysatorbettreaktionszone mit Rohren oder Platten, die ein solches 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 Wärmegradienten entwickelt, z. B. wird 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 sein, was die Bildung von überhitzten Stellen („Hotspots”) oder sich bewegenden heißen Fronten ermöglicht, was zu Schwankungen im Reaktionsverlauf innerhalb des Bettes insgesamt führen kann. An einer solchen überhitzten Stelle kann die Reaktion also schneller vonstatten gehen und somit wird der Katalysator darin schneller abgebaut. Dies ist im Fall von großen Anlagen besonders von Bedeutung.
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Es kann folglich in Betracht gezogen werden, dass die zu lösenden Probleme die Notwendigkeit beinhalten, Reaktanten und Katalysator innerhalb eines zufrieden stellenden Temperaturbereichs zu halten, hinsichtlich der Maximierung der Reaktionsgeschwindigkeit; der Minimierung des Reaktor- oder Katalysatorvolumens; der Maximierung der Ausbeute an gewünschten Produkten; der Minimierung der Beschädigung des Katalysators (z. B. aufgrund übermäßiger Wärme oder direkter Verunreinigung mit Flüssigphasen) und der Minimierung der Nebenproduktbildung.
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Zu den typischen Lösungsansätzen für solche Probleme gehört die Zugabe von Quenchgas zur Systemkühlung; dies führt jedoch zu einem Wirkungsgradverlust und kann somit die Ausbeute beeinträchtigen. Ein weiterer Ansatz ist die Einführung eines Wärmeaustauschschritts zwischen adiabatischen Betten, was den Einbau von Wärmeaustauschern in den Reaktor beinhalten kann; dies führt jedoch zu Problemen hinsichtlich sowohl der Konstruktion als auch dem Betrieb aufgrund der Masse von Rohrdesigns und einem Fehlen einer Differenzdruckeindämmung mit Plattenwärmeaustauschern. Es gibt auch Probleme mit der Umverteilung der Reaktanten. Die Reaktanten können alternativ dazu zum Zwischenwärmeaustausch, zum Beispiel Kühlen, aus dem Reaktor entfernt werden; dies wirkt sich aber auch aufgrund der zusätzlichen teuren Rohrleitungen auf die Konstruktion der Anlage und den Prozessbetrieb Zusatzrohre aus, und Verteilungsprobleme bei jeder Extraktion und Wiedereinspritzung. Die Durchführung ist folglich in keinem bestimmten System öfter als ein- oder zweimal praktikabel.
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Ein weiterer Lösungsansatz besteht darin, kontinuierlichen Wärmeaustausch durch Packen von Rohren oder Platten in das Katalysatorbett anzuwenden; dies führt jedoch zu einer mangelnden Flexibilität bei der Konstruktion, zusätzlichen Kosten, einer ungleichmäßigen Packung des Katalysators und natürlich zu Schwierigkeiten beim Austausch oder Regenerieren des Katalysators. Alternativ dazu können Wärmeaustauschrohre, -platten und -durchgänge des Reaktors mit einem Katalysator beschichtet werden, aber dies führt wiederum zu einer unflexiblen Konstruktion, Schwierigkeiten beim zuverlässigen Anwenden des Katalysators und Einschränkungen des verfügbaren oberflächlichen Katalysatoroberflächenbereichs. Außerdem gibt es auch bei diesem Ansatz offensichtliche Probleme beim Austauschen oder Regenerieren des Katalysators.
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Wirbelschichtreaktoren stellen eine weitere potenzielle Lösung dieser Probleme dar, diese sind möglicherweise jedoch nicht für alle oder bestimmte Reaktionssysteme ideal geeignet.
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Die Möglichkeit der Verwendung eines inerten oder reaktiven Verdünners zum Ballasten der Temperatur von Reaktanten in adiabatischen Betten wurde in Betracht gezogen; ein solcher Verdünner muss jedoch erwärmt, abgekühlt und gepumpt werden, was dem Prozess zusätzlichen Energiebedarf auferlegt und darüber hinaus außerdem die beabsichtigte Reaktion beeinträchtigen kann, indem er für die Reaktanten eine Diffusionsbarriere darstellt.
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Die Probleme können durch Berücksichtigung der Prinzipien des Stufenreaktorsystems mit adiabatischen Festbett weiter erläutert werden, das ein Beispiel für eine Anordnung ist, die dazu entworfen ist, mehr Kontrolle über die Reaktantentemperatur zu bieten. Dieses System verwendet eine Anordnung, bei der eine Reihe einzelner, beabstandeter Reaktionszonen mit Mitteln dazwischen bereitgestellt wird, um die Temperatur der Produkte steuern, die aus einer ersten Reaktionszone austreten, bevor sie in die nächste Reaktionszone eintreten. Es ist kein Wärmeaustauschmittel zur Steuerung der Temperatur der Reaktion in den Zonen der Reaktion vorgesehen. So strömt das Reaktantenfluid, das mit einer gewünschten Temperatur in den Reaktor eintritt, durch ein Festbett, das einen Katalysator enthält. Beim Verlassen dieser ersten Stufe weisen das Reaktantengas und etwaige Produkte eine Temperatur auf, die in Abhängigkeit von den thermischen Charakteristika der Reaktion höher oder niedriger als die Anfangstemperatur ist. Ein Wärmeaustauscher erwärmt dann das Reaktantengas oder kühlt dieses auf eine zweite gewünschte Temperatur ab, die der Temperatur der ersten Stufe entsprechen kann oder auch nicht, bevor das Reaktantengas in das nächste Festbett, d. h. die zweite Stufe eintritt. Diese Abfolge wird wiederholt, bis die gewünschte Umwandlung erreicht wird. Somit wird das Temperaturprofil der Reaktion innerhalb eines akzeptablen Temperaturbereiches abgestuft sein und wird daher nicht wirklich isotherm sein.
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Ein alternativer Vorschlag für einen Prozess und eine Vorrichtung zur Steuerung von Reaktionstemperaturen wird in
US-A-5,600,053 offenbart. Diese Anordnung verwendet beabstandete Wärmeaustauschriffelplatten, wobei jede Platte auf einer Seite der Platte eine Begrenzung eines Wärmeaustauschströmungskanals und auf der anderen eine Begrenzung eines Reaktionsströmungskanals definiert. In der Anordnung strömt ein Wärmeaustauschfluid in dem ersten der oben erwähnten Kanäle und ein Reaktantenstrom strömt durch den zweiten, wobei vorzugsweise ein Katalysator vorliegt. Diese Anordnung soll den typischen Ansatz in Schritten zum Ziel des so genannten isothermischen Zustandes eliminieren oder minimieren.
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Die in
US-A-5,600,053 vorgeschlagene Anordnung erfordert jedoch, dass benachbarte Riffelplatten miteinander verbunden werden. Zu diesem Zweck sind glatte Kanten vorgesehen, die den Zusammenbau von mehreren überlagerten Platten zur Bildung von Kanälen erleichtern. Die Platten werden entlang dieser glatten Kanten verbunden, wie durch Schweißen, und die Intaktheit der Abdichtung der Kanäle, die durch die Riffelungen in benachbarten Platten gebildet werden, ist daher nicht ideal, insbesondere wenn ein großer Druckunterschied zwischen den Wärmeaustauschströmungskanälen und den Reaktionsströmungskanälen besteht, da dies dazu neigen wird die benachbarten Platten auseinander zu drücken. Diese Anordnung wird somit den Parametern der Reaktion, nämlich dem Verhältnis zwischen dem Druck des Wärmeaustauschfluids und dem des Reaktantengases, unnötige Einschränkungen auferlegen.
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Ein früheres System wird in
US-A-5,073,352 beschrieben, das eine Vorrichtung zur Durchführung eines Prozesses zum Reformieren von Benzinen unter Niederdruck und in Anwesenheit mindestens eines Katalysators vorschlägt, wobei für die Reaktion erforderliche Wärme von einem Wärme führenden Fluid, wie Erdgas, bereitgestellt wird.
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Die darin beschriebene Vorrichtung beinhaltet eine Reihe einzelner Reaktionszellen, die senkrecht angeordnet sind und eine im Wesentlichen parallelepipedische Konfiguration aufweisen. Die Zellen sind lateral beabstandet, wodurch zwischen ihnen Kanäle für den Fluss des Wärme führenden Fluids gebildet werden. Die Kammern, die einen Reformierkatalysator enthalten, sind jeweils entweder isotherm oder adiabatisch und derart bemessen, dass Höhe (H), Breite (B) und Dicke (D) die Bedingungen H > B > D erfüllen und H mindestens der doppelte Wert von B ist, wobei B im Bereich von 50 mm bis 10.000 mm (0,05–10 Meter) liegt und D im Bereich von 2 mm bis 2.000 mm (0,002–2 Meter) liegt. Folglich besteht bei solchen katalytischen Reaktoren mit einem großen Volumen weiterhin die Möglichkeit von überhitzten Stellen und einer weniger als zufrieden stellenden Temperatursteuerung.
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Dem Fachmann ist bekannt, dass der Warmeübertragungskoeffizient in einem Festbett hauptsächlich von der Katalysatorteilchengröße und der Reaktantenfluidgeschwindigkeit durch das katalytische Bett abhängt. Leider sind diese Parameter Prozessvoraussetzungen und können daher nicht geändert werden, um den Wärmeübertragungskoeffizienten im Festbett und damit in den in
US-A-5,073,352 beschriebenen Reaktionszellen zu verbessern. Außerdem ist es schwierig, einen Katalysator zwischen engen Spalten oder Rohren zu bewegen, wodurch den Abmessungen von Spalten oder Rohren, durch die ein Katalysator strömen soll, Einschränkungen auferlegt werden.
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Reaktoren der bekannten Typen nach dem Stand der Technik haben folglich viele beträchtliche Einschränkungen, die der Wärmeübertragungsfähigkeit auferlegt sind. Plattenreaktoren bieten gegenüber Rohrreaktoren einige Vorteile auf der Zusatzmediumseite, aber das Endergebnis ist nicht bedeutend, da der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient im Allgemeinen von der Prozessseite bestimmt wird, wie oben erörtert. Rohrreaktoren andererseits bieten aufgrund des erhöhten Widerstands in Bezug auf den Differenzdruck zwischen dem Reaktantenfluid und dem Wärmeaustauschfluid gegenüber Plattenreaktoren Vorteile in Bezug auf die mechanische Leistungsfähigkeit.
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Es gibt auch industrielle chemische Prozesse, bei denen die Reaktion ohne Anwesenheit eines Katalysators durchgeführt wird. Solche Reaktionen werden häufig in der Flüssigphase in einem Rührtank (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 gemischten Fluidmasse im Reaktor führen. Dieses letztere Problem tritt am wahrscheinlichsten auf, während ein Reaktant dem Reaktor zugegeben wird.
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Die Fluidvermischung innerhalb eines CSTR hängt von solchen Faktoren wie der Rührwerk- und Leitblechkonstruktion, der Rührwerkgeschwindigkeit und den physikalischen Eigenschaften des Reaktantengemisches ab. Versuche der Gewährleistung einer guten Vermischung führen häufig zu unbefriedigenden Ergebnissen und oft müssen die Reaktionsbedingungen weniger als optimal sein, um Variationen der Reaktantenkonzentration zu ermöglichen.
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Infolge der oben umrissenen Mängel werden einige Reaktionen aufgrund einer schlechten Wärmeübertragung und/oder eines schlechten Stoffübergangs mit einer Reaktorverweilzeit durchgeführt, die viel länger als durch die Reaktionskinetik allein bedingt ist, bei einem daraus folgenden Verlust der Reaktionsselektivität. Des Weiteren sind CSTR durch eine im Wesentlichen vollständige Rückvermischung von Reaktionsprodukten mit einem Reaktant gekennzeichnet; dies kann die Reaktionsgeschwindigkeit hemmen und kann auch zu einem Produktverlust durch unerwünschte weitere Reaktionen führen. Die Erfindung ermöglicht das Durchführen einer schnellen, in Bezug auf die Wärmeübertragung beschränkten Reaktion mit einer stark verkürzten Verweilzeit in einer aufeinander folgenden Reihe von Stufen mit kurzer Verweilzeit, was einem so genannten Rohrreaktor („Plug-Flow-Reaktor”) nahe kommt.
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Unter Berücksichtigung der vorstehenden Fakten besteht eine Aufgabe dieser Erfindung darin, Verbesserungen der Konstruktion chemischer Anlagen und von Verfahren zum Betrieb dieser bereitzustellen, um die Nachteile der existierenden oder früher vorgeschlagenen Konstruktionen und Verfahren zu vermeiden oder abzuschwächen.
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Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und einen Prozess zur Steuerung der Reaktionstemperatur innerhalb eines akzeptablen Bereiches während des Betriebs des chemischen Prozesses durch ein indirektes Wärmeübertragungsverfahren unter Verwendung eines Wärmeaustauschfluids bereitzustellen.
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Eine andere Aufgabe der hierin im Folgenden ausführlicher beschriebenen Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die genaue Steuerung der Reaktantentemperatur innerhalb eines gewünschten Profils zulässt, wobei ganz besonders darauf abgezielt wird, die Temperatur auf einem im Wesentlichen konstanten Niveau zu halten, d. h. um eine Erzielung einer akzeptablen Annäherung an eine isothermische Reaktionszone zu bieten, sofern dies im gewerblichen Maßstab praktisch ist.
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Es ist ein weitere Aufgabe der Erfindung, eine chemische Anlage bereitzustellen, die gegenüber bekannten Anlagenausrüstungen in Bezug auf sowohl Kosten- als auch Platzeffizienzüberlegungen verbessert ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung löst die im Stand der Technik beobachteten Probleme durch Anwenden des Ansatzes von adiabatischen Stufenreaktoren und Verbessern der Leistungsfähigkeit dieser durch Konstruktion eines Reaktors gemäß Anspruch 1. Andere fakultative Merkmale sind wie in davon abhängigen Ansprüchen beansprucht.
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Der Wärmeaustauscher ist einer, der von einer Vielzahl von Platten gebildet wird, die überlagert und durch Diffusion verbunden sind, um einen Stapel von Platten zu bilden, wobei Fluidkanäle in dem Stapel aufgrund einer Vorbehandlung der Platten definiert sind, wobei jede Platte durch eine chemische und/oder mechanische Behandlung zur Entfernung von Oberflächenmaterial, z. B. durch chemisches Ätzen oder hydraulisches Fräsen oder Schneiden z. B. mittels eines Wasserstrahls, auf eine gewünschte Tiefe gemäß dem gewünschten Muster von Kanälen selektiv konfiguriert wird. Eine solche Vorbehandlung der Platten wird in einem gewissem Maße analog zu der Herstellung von Leiterplatten (PCB) durchgeführt, und aus diesem Grund kann das hierin beschriebene Reaktordesign als ein Reaktor mit leiterplattenartigen Strukturen (PCR) beschrieben werden. Desgleichen kann der so gebildete Wärmeaustauscher zur Einbindung in dem Reaktor als ein Wärmeaustauscher mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) bezeichnet werden.
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Die vorgeschlagene Reaktorkonstruktion bietet eine unbegrenzte Vielfalt an Bahnen für Zusatzwärmeaustauschfluid- und Reaktantenfluidwegen mit sehr kleinen Abmessungen, was eine erheblich verbesserte Prozesssteuerung ermöglicht. Die Durchgänge weisen typischerweise eine sehr kleine Bohrung mit einer Tiefe von typischerweise weniger als etwa 3 mm auf. Die Beschaffenheit des Designs ist derart, dass es sich für die Konstruktion von Wärmeaustauschern in kleinen Teiltafeleinheiten anbietet, die z. B. durch Schweißen einfach zusammengefügt werden können. Darüber hinaus ist es möglich, Reaktorkonstruktionen bereitzustellen, bei denen die PCHE-Tafeldicke sich an unterschiedlichen Stufen des Reaktors unterscheidet, und die Katalysatorbettdicke von Stufe zu Stufe zu variieren. Die Zusammensetzung des Katalysators in jeder Stufe kann gemäß Prozessvoraussetzungen im Hinblick auf die Verbesserung der Produktion gleich oder verschieden sein.
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Die Erfindung kann auch auf nichtkatalytische Prozesse angewendet werden, wobei eine oder mehrere Reaktorräume vorhanden sein können, die am Einlass und/oder Auslass durch frühere Wärmeaustauscher oder Wärmeaustauscher des PCHE-Typs begrenzt werden. Mögliche Ausführungsformen des Reaktors können als zu den vorstehenden katalytischen Reaktorbeschreibungen analog erachtet werden, mit einem oder mehreren Reaktorräumen anstelle des bzw. der katalytischen Betten.
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Wenn ein Erfordernis besteht, die Reaktantenfluide zu vermischen, kann die Zufuhreinlass-PCHE-Tafel Strömungsdurchgänge einbinden, die dazu angeordnet sind, sowohl jedes Reaktantenfluid auf die gewünschte Einlasstemperatur vorzuwärmen als auch zwei oder mehr Fluide zu kombinieren, indem einzelne Durchgänge kombiniert werden, wodurch eine gleichmäßige, innige Vermischung der Reaktantenfluide erreicht wird.
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Weiterhin wird offensichtlich sein, dass eine Zugabe eines Reaktanten in Stufen einfach dadurch erreicht werden kann, dass der Reaktant über nacheinander angeordnete PCHE-Tafeln, die jedem Reaktionsraum vorangehen, verteilt wird.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine genaue Steuerung des Reaktantentemperaturprofils erzielt werden kann, und das Temperaturprofil kann zwischen aufeinander folgenden Reaktionsräumen angepasst werden, so dass die Reaktionsbedingungen hinsichtlich der sich ändernden Reaktanten- und Produktkonzentrationen optimiert werden können. Eine genaue Temperatursteuerung vermeidet eine vorübergehende oder lokalisierte Überhitzung von Reaktanten oder Produkten. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn einer der Reaktanten besonders wärmeempfindlich ist und im Falle einer unvollständigen Vermischung thermisch abgebaut werden kann. Weiterhin wird durch die Annäherung an einen Rohrreaktor die Rückvermischung wesentlich reduziert und unerwünschte Reaktionen können vermieden werden. Folglich können die Reaktionsumwandlung, die Ausbeute und die Produktqualität verbessert werden.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine gründliche und gleichmäßige Vermischung ohne Verwendung eines Rührwerks erreicht wird. Dies führt zu Energieeinsparungen und eliminiert die Kosten für die Wartung von Rührwerklagern und Wellendichtungen an.
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Auch wird durch Verkürzung der erforderlichen Verweilzeit das Speichervolumen von Reaktanten und Produkten stark verringert. Wesentliche Verbesserungen der Prozesssicherheit werden 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 vollständig vom Typ der Wärmeaustauscher mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) sind. Bei einer solchen Anordnung sind die Wärmeübertragungsdimensionen typischerweise geringer als Katalysatorteilchendimensionen, wodurch gewährleistet wird, dass die Temperaturprofile, die der Wärmeübertragung auf Fluide in Durchgängen eigen sind, in Bezug auf die Katalysatorteilchengröße nicht von Bedeutung sind. Auch sind die Dimensionen der Wärmeübertragung im Vergleich zur Betttiefe relativ gering, so dass beliebige Temperaturprofile vom Durchgangmaßstab nur einen sehr kleinen Anteil der einzelnen Katalysatorbettlängen einnehmen, z. B. typischerweise bis zu etwa 200 mm. Dies steht im deutlichen Gegensatz zur Verwendung von Austauscherrohren mit einem Außendurchmesser von etwa 25 mm nach dem Stand der Technik, die im Wesentlichen stromabwärtige Sogströmungen in den Temperaturprofilen verursachen, die dann notwendigerweise einen Maßstab aufweisen, der bedeutend größer als die einzelnen Katalysatorteilchen ist, und sich über mindestens einen bedeutenden Anteil jedes Katalysatorbettes erstrecken.
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Der Katalysator kann eine variable Form aufweisen, z. B. ausgewählt aus kugelförmigen, zylindrischen und Hohlkörpern, festen Teilchen, expandierten oder porösen Festkörpern, umhülltem Matrixkatalysator oder dergleichen geträgerten Katalysatoren. Übliche Teilchen von bis zu etwa 10 mm (Hauptabmessung) werden in Erwägung gezogen.
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Vorzugsweise wird das Potenzial von Katalysatorteilchen, in die Durchgänge des PCHE einzutreten, durch die Bereitstellung eines Siebs eingeschränkt, idealerweise aus einem dauerhaften Geflecht, das Katalysatorteilchen bei Betriebstemperaturen zurückhalten kann.
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Das Wärmeübertragungsmedium kann ein Gas oder eine Flüssigkeit ohne Phasenübergang sein oder kann je nach dem Prozess (exotherm oder endotherm) siedend oder kondensierend sein, und es wird in Betracht gezogen, dass Reaktanten während des Reaktionsprozesses vor dem Eintritt in die katalytische Reaktionszone als ein Wärmeübertragungsmedium verwendet werden können, wodurch ein Schritt des Vorwärmens der Reaktanten ermöglicht wird.
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Die PCHE-Tafel kann eine Dicke aufweisen, die einen Druckabfall zwischen katalytischen Zonen minimieren soll, z. B. bis zu etwa 100 mm. Dies ermöglicht das Anpassen des Wärmeübertragungsbereichs von PCHE und des Katalysatorbettvolumens, um eine kosteneffiziente Konstruktion zu erzielen, was mit den Konstruktionen mit beschichteten Durchgängen oder gepackten Platten oder Rohren nach dem Stand der Technik schwer zu erzielen ist.
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Die Konstruktion der PCHE-Tafel ermöglicht eine variable Durchgangslänge und -konfiguration, zum Beispiel gekrümmte Bahnen mit Windungen und/oder Zickzacks zur Verbesserung der Wärmeübertragung, wodurch eine bessere Annäherung von Reaktanten- und Wärmeübertragungsmedientemperaturen ermöglicht wird, und bietet Temperaturprofile im System, die im größeren Einklang mit den Konstruktionsparametern stehen.
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Die Erfindung behebt weiterhin die Nachteile des Standes der Technik, indem ein Prozess gemäß Anspruch 12 bereitgestellt wird.
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Gemäß einer Modifizierung des Prozesses können in nachfolgenden Katalysatorbettstufen zusätzliche Fluidreaktantenarten eingebracht werden. Obwohl es vorgesehen wird, dass der Prozess in einer Reihe von Stufen nach Art der bekannten adiabatischen Stufenreaktorsysteme betrieben werden kann, ermöglicht die vorgeschlagene Reaktorkonstruktion somit eine bessere Kontrolle über den Prozess nicht nur hinsichtlich des Wärmemanagements, sondern auch in Bezug auf die Steuerung der chemischen Reaktion.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird somit eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14 bereitgestellt.
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Vorzugsweise kleidet ein aus einem feinen Geflecht hergestelltes Sieb die Wände des katalytischen Bettes aus und die Wände bestehen werden im Idealfall zumindest zum Teil von Platten der Wärmeaustauscher gebildet. Das Geflecht wirkt dahingehend, der Migration von Katalysator in die Reaktantenfluid aufnehmenden Kanäle des Wärmeaustauschers stromabwärts der katalytischen Reaktionszone Widerstand entgegenzubringen.
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Der oder jeder Wärmeaustauscherstapel kann aus einem Stück oder Block überlagerter Platten durch Unterteilen, zum Beispiel durch Schneiden in einzelne Scheiben mit einer gewünschten Abmessung gebildet werden, was sehr schlanke Konstruktionen ermöglicht.
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So ist in einer Konstruktion ein erster derartiger Kanal oder eine erste Gruppe von Kanälen senkrecht zweiten derartigen Kanal oder einer zweiten Gruppe von Kanälen. Bei einer alternativen Konstruktion sind die jeweiligen Kanäle parallel. Natürlich würde man die Konstruktion im Allgemeinen derart anordnen, dass nebeneinander angeordnete Kanäle einerseits Reaktantenfluidarten bzw. andererseits ein Zusatzfluid enthalten, um die gewünschte Wärmeübertragung zu erzielen. Auf diese Art und Weise wird die Temperatursteuerung indirekt ohne Vermischen der Reaktantenfluide mit den Zusatzfluidmedien erreicht.
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Das PCHE-Tafel-Design kann Platten beinhalten, die Durchgänge aufweisen, die auf eine Seite oder beide Seiten geätzt sind, und die Tafel kann eine Baugruppe gestapelter Platten aufweisen, die aus nicht geätzten Platten (Rohlinge) mit geeigneterweise daneben angeordneten geätzten Tafeln besteht, um in der Endtafel eine gewünschte Durchgangsbaugruppe zu bilden. Die gestapelten Platten bilden dadurch eine lamellenförmige Baugruppe aus überlagerten Metallplatten, wobei Fluidströmungskanäle gemäß einem vorherbestimmten Muster angeordnet sind, wobei die Kanäle tragenden Platten während der Überlagerung aufeinander ausgerichtet werden, um einzelne Wärmeaustauschwege für Fluide zu definieren, und die Baugruppe wird durch eine Diffusionsverbindungstechnik zu einer einheitlichen Wärmeaustauschertafel geformt.
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Das Profil der Kanäle, d. h. das Querschnittsprofil senkrecht zum Strömungsweg, ist im Allgemeinen nicht wichtig, es werden aber gewöhnlich gewölbte Formen verwendet und diese sind relativ einfach durch chemisches oder hydraulisches Fräsen zu formen; es könnten aber auch bei Bedarf durch Verwendung eines geeigneten Werkzeuges in Kombination mit dem chemischen oder hydraulischen Prozess andere Profile angenommen werden.
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Es versteht sich, dass die Platten mit den passenden Kanälen, die durch Ätzen oder dergleichen definiert wurden, gestapelt und durch Diffusion miteinander verbunden werden, um Wärmeaustauschertafeln zu bilden, und dass so gebildete derartige Tafeln bei Bedarf nebeneinander angeordnet und zum Beispiel durch Schweißen verbunden werden können, um eine größere Tafel mit einer gewünschten Höhe und Breite bereitzustellen, um dem erforderlichen Katalysatorbettquerschnittsbereich zu entsprechen. Die Verwendung eines Rohlings (nicht geätzte Platten) ist in einigen Fällen angemessen, um eine Tafel zu vervollständigen und die offene Seite von Kanälen zu schließen, die in einer benachbarten geätzten Platte gebildet wurde. Der Verweis auf Tafeln geschieht das auch praktischen Gründen und soll keine Begrenzung der Abmessungen anzeigen. Man wird jedoch zu schätzen wissen, dass die Abmessungen der Wärmeaustauschereinheit je nach einer gewählten Reaktorkonstruktion variieren werden und dass gegenwärtig erhältliche Fertigungsausrüstungen der Tafelgröße in einem Schritt einige praktische Einschränkungen auferlegen können. Wenn gewünscht wird, Tafeln mit einer relativ großen Größe zu bilden, können solche praktischen Einschränkungen durch Anordnung einer Vielzahl von Tafeln einer Größe, die innerhalb des Leistungsvermögens der erhältlichen Ausrüstung gebildet wurden, nebeneinander und Verbinden dieser durch ein geeignetes Verfahren, wie Schweißen, leicht überwunden werden. Auf diese Art und Weise kann eine Vielfalt von Formen und Größen der PCHE-Tafel konstruiert werden.
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Im Gebrauch eines solchen PCR-Reaktors kann bewirkt werden, dass das Wärmeaustauschfluid in eine Richtung strömt, die im Wesentlichen senkrecht zur Strömung des Reaktantenstromes verläuft. Die Strömungsrichtungen können alternativ dazu im Wesentlichen parallel zueinander und je nach der Wahl des Bedieners unter Berücksichtigung des zu steuernden Reaktionsprozesses entweder im Gleichstrom oder Gegenstrom verlaufen.
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Die Erfindung ist vorwiegend zur Verwendung mit Reaktionen unter Verwendung heterogener Katalysatorsysteme vorgesehen.
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In Abhängigkeit von der bestimmten Reaktion kann deren Optimierung durch Bereitstellung von mehr als einem Katalysator und insbesondere durch Bereitstellung von unterschiedlichen Katalysatoren in separaten katalytischen Betten erzielt werden.
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Das Wärmeaustauschfluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, wie von Fachmännern verstanden wird. Solche Fluide beinhalten typischerweise geschmolzene Salze, geschmolzene Metalle oder heißes Wasser, um flüssige Zusatzmedien bereitzustellen, oder sie können heiße Gase, Dampf oder überhitzter Dampf sein, wodurch Wärme einem Reaktionssystem indirekt zugeführt werden kann. Im umgekehrten Fall können stark abgekühlte Flüssigkeiten oder Gase verwendet werden. Chemieingenieure werden die große Auswahl von erhältlichen zusätzlichen Arbeitsfluiden einfach in Betracht ziehen und sich sowohl vernünftiger Wärme- als auch Bindungswärmeüberlegungen beim Anpassen des erforderlichen Zusatzfluids auf die Prozessanforderungen der Reaktion zur Umwandlung der Fluidreaktantenarten bewusst sein.
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Jeder Wärmeaustauscherstapel oder jeder Zusatzfluidmedienkanal bzw. jede Gruppe von Kanälen kann ein anderes Zusatzfluid enthalten, um das Temperaturprofil des Reaktantenfluids in dem Reaktor zu optimieren.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden zusätzliche Mittel bereitgestellt, um dem oben erwähnten Reaktor speziell für die Verwendung als Fließbettreaktor geeignet zu machen, und zwar Katalysatoreinlassmittel, Katalysatorauslassmittel und Mittel zum Zuführen von neuem oder regeneriertem Katalysator in die Katalysatoreinlassmittel und weitere Mittel zum Entfernen von Katalysator aus den Katalysatorauslassmitteln. Vorzugsweise wird ermöglicht, dass sich Katalysator unter dem Einfluss von Schwerkraft in Richtung des Katalysatorauslasses hin bewegt. Der Fachmann wird sich alternativer Weisen bewusst sein, mit denen Fließbettreaktoren betrieben werden können, und der Schutzumfang der Erfindung sollte nicht auf das bestimmte hierin beschriebene Verfahren beschränkt werden.
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Im Fall eines solchen Fließbettreaktors beträgt die Bettbreite ein Vielfaches des Katalysatordurchmessers, vorzugsweise mindestens das Dreifache dieses Durchmessers.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Prozess gemäß Anspruch 18 bereitgestellt. Der Prozess ist gemäß den Anforderungen des Prozesses für eine unbegrenzte Anzahl von katalytischen Betten mit entsprechenden PCHE wiederholbar.
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In einer alternativen Ausführungsform beinhaltet der Prozess zur Steuerung des Temperaturprofils eines Reaktionsfluids in Anwesenheit eines Katalysators während einer endothermen oder exothermen Reaktion weiterhin das Leiten von Katalysator durch das katalytische Bett, wobei Katalysator, der aus dem Bett austritt, durch neuen oder regenerierten Katalysator ersetzt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform fließt das Wärmeaustauschfluid in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Strömung des Reaktantenstromes verläuft. Alternativ dazu können die Strömungsrichtungen im Wesentlichen parallel und entweder im Gleichstrom oder Gegenstrom verlaufen.
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Das Wärmeaustauschfluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, wie bereits im Stand der Technik anerkannt wird. Zu solchen Fluiden gehören zum Beispiel geschmolzene Salze, geschmolzene Metalle, siedendes Wasser, Dampf oder überhitzter Dampf.
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Man wird erkennen, dass die Erfindung in ihrem weitesten Aspekt ein Stufenreaktionssystem bereitstellt, das aufeinander folgende chemische Reaktionszonen und Wärmeübertragungszonen enthält, wobei die letzteren Plattenwärmeübertragungsflächen enthalten, die Mikrokanäle tragen, die gemäß einem vorherbestimmten Muster darin geätzt sind, und die optimale indirekte Wärmeübertragungsstrategie und die Möglichkeit zur individuellen thermischen Vorbereitung von Fluidreaktanten für die nächste Reaktionszone durch Auswahl des Einlasskanals und seiner Beziehung zu benachbarten Zusatzfluidkanälen bietet. Das System kann speziell zur Handhabung von Substanzen mit unterschiedlichen Flüchtigkeiten ausgelegt sein.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Nicht einschränkende Ausführungsformen der Erfindung werden hierin im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine Schnittseitenansicht eines Teils eines Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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2 das Temperaturprofil einer hochgradig exothermen Reaktion zeigt, das Probleme von „überhitzten Stellen” („Hotspots”) demonstriert;
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3 im Gegensatz zu 2 das Temperaturprofil für eine exotherme Reaktion zeigt, die mittels eines Rohrreaktors gesteuert wird, der gemäß der vorliegenden Erfindung entworfen wurde; und
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4 einen Reaktor mit leiterplattenartigen Strukturen in Seitendraufsicht (4(a)) und in Enddraufsicht (4(b)) zeigt.
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Modus zur Durchführung der Erfindung
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 einen Reaktor 1, der mit einem Reaktantenfluideinlass 2 und einem Reaktantenfluidauslass (nicht gezeigt) versehen ist und durch den zu verarbeitendes Reaktantenfluid geleitet wird.
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Der Reaktor 1 beinhaltet mindestens ein katalytisches Bett 4. Wenn die Vorrichtung als ein Fließbettreaktor konfiguriert ist, ist das katalytische Bett 4 im Wesentlichen senkrecht, um die Bewegung des Katalysators durch die Kammer zu erleichtern.
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Neben dem katalytischen Bettreaktor 4 sind Wärmeaustauscher mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) 5 vorgesehen. Die PCHE 5 weisen mindestens zwei Gruppen von Kanälen auf, die darin gebildet sind, wobei eine erste Gruppe von Kanälen 6 für das Leiten des Reaktantenfluids von einem ersten katalytischen Bett 4 zu einem zweiten vorgesehen ist, und eine zweite Gruppe von Kanälen 7, durch die das Wärmeaustauschfluid strömt. Der erste der PCHE 5 in Verbindung mit dem Reaktantenfluideinlass 2 enthält Vorwärmkanäle 3. Diese Vorwärmkanäle 3 sind zusätzliche senkrechte Durchgänge, in denen 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 dreimal quer durch den Reaktantenstrom, obgleich es sich dabei um eine willkürliche Zahl handelt.
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Ein fakultatives Sieb aus einem feinen Geflecht, das auf geeignete Weise gemäß der Größe der Katalysatorteilchen bemessen ist, ist vorgesehen, um die Enden der Reaktantenfluidkanäle neben den katalytischen Betten abzudecken, um eine Migration des Katalysators in die Kanäle, insbesondere in die stromabwärtigen Kanäle in Bezug auf den Katalysator zu verhindern, um die Gefahr von Blockierungen, die die Strömung hemmen, zu verringern.
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Die Kanäle werden durch Verbinden einzelner Platten miteinander gebildet, wobei die Platten Kanäle aufweisen, die in mindestens einer Oberfläche geformt sind, wie durch einen Fräs- oder Ätzprozess. Um eine rissfreie Konstruktion sicherzustellen, sollte ein beliebiger Verbindungsprozess, der zum Verbinden benachbarter Platten miteinander verwendet wird, eine Störung der gefrästen oder geätzten Kanäle vermeiden. Dies beschränkt folglich die Annehmbarkeit der Verwendung herkömmlicher Schweißprozesse. Diffusionsverbindungsprozesse, bei denen die Platten unter Druck gesetzt und auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur des Plattenmetalls erwärmt werden, wodurch das grenzüberschreitende Kornwachstum gefördert wird, ermöglichen jedoch eine derartige rissfreie Konstruktion. Dies ermöglicht auch das Verbinden der Platten neben jedem der Kanäle, wodurch die mechanischen Leistungsfähigkeiten der Kanäle erhöht werden und größere Druckunterschiede zwischen dem Druck des Reaktantenfluids und des Wärmeaustauschfluids ermöglicht werden. Diese Wärmeaustauscherkonstruktion hat sich durch die Konstrukteure des vorgeschlagenen PCR seit 1985 als bewährt erwiesen, als Heatric erstmals seine kompakten Wärmeaustauscher mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) einführte. Die Anwendung der Diffusionsverbindungstechnik wird heutzutage in der Technik verstanden.
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Die Konstruktion solcher Wärmeaustauscher erleichtert auch eine höhere Wärmeaustauschrate in einem gegebenen Volumen, wodurch der Platzbedarf für eine gegebene Reaktion verringert wird. Somit bietet das Einbinden dieser in eine individuell angepasste Reaktorkonstruktion bisher unvorhergesehene Vorteile.
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In Abhängigkeit von den Leistungsanforderungen des Reaktors 1 können zusätzliche katalytische Betten 4 vorgesehen werden, die durch zusätzliche Wärmeaustauscher 5 beabstandet sind. Das letzte katalytische Bett 4 in der Reihe steht mit den Reaktantenfluidauslassmitteln in Verbindung, um den Austritt der Produkte der Reaktion aus dem Reaktor 1 zu ermöglichen.
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In der alternativen Ausführungsform, in der die Vorrichtung dazu angepasst ist, zur Verwendung als ein Fließbettreaktor geeignet zu sein, sind Katalysatorauslassmittel (nicht gezeigt) neben dem unteren Ende jedes der katalytischen Betten 4 vorgesehen, durch die der Katalysator mittels Schwerkraft gezwängt wird. Der Katalysator, der aus den katalytischen Betten 4 austritt, kann einem Regenerator zugeführt und dann durch Katalysatoreinlassmittel (nicht gezeigt) geleitet werden, die neben der Oberseite jedes der katalytischen Betten 4 vorgesehen sind. Alternativ dazu kann neues Katalysatormaterial nach dem Austritt von Katalysator durch die Auslassmittel durch die Katalysatoreinlassmittel geleitet werden.
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Somit erleichtert die Vorrichtung der Erfindung eine Serie von adiabatischen Reaktionen, wobei die Temperatur des Reaktantenstromes zwischen aufeinander folgenden Reaktionen verändert wird, um die Reaktionstemperatur innerhalb eines akzeptablen Bereiches zu halten und so dem gewünschten Temperaturprofil zu entsprechen.
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2 veranschaulicht das Temperaturprofil einer schlecht gesteuerten exothermen Reaktion (Phthalsäureanhydridproduktion), die typisch für einen Rohrreaktor ist und die eine starke Entwicklung von überhitzten Stellen zeigt. Eine übermäßige Einlasstemperatur führt zu einem thermischen Durchgehen, das unter diesen durch überhitzte Stellen beschränkten Bedingungen zu einer Einschränkung der Zufuhr von o-Xylol führt. Im Gegensatz dazu ermöglicht ein Reaktor, der 24 Katalysatorbetten enthält, die PCHE-Stufen zwischen Katalysatorbetten beinhalten einen sehr gut steuerbaren Prozess mit dem in 3 dargestellten Temperaturprofil. Dies zeigt einen Temperaturaufbau in dem Katalysatorbett (Prozessverlauf von links nach rechts) als eine Steigung und einen Wärmeaustausch durch eine deutliche Deklination. Eine Sicherheitsmarge in Bezug auf ein thermisches Durchgehen wird durch eine niedrige Einlasstemperatur und kurze Katalysatorbetten (etwa 125 mm) bewahrt, selbst bei einer höheren o-Xylol-Konzentration, als typischerweise einem Rohrreaktor zugeführt werden kann. Die Durchschnittstemperatur steigt jedoch auf steuerbare und vorhersehbare Weise allmählich an, wenn die Reaktanten durch aufeinander folgende katalytische Betten laufen, um eine erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit in späteren Stufen zu ermöglichen, wo die Gefahr eines thermischen Durchgehens stark verringert ist.
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Die Anzahl der zu verwendenden Wärmeaustauscher wird gemäß Verfahren berechnet, die Fachmännern bekannt sind, um überhitzte Stellen zu vermeiden und zu ermöglichen, dass der Prozess mit einer höheren Beschickung pro Einheit der Fließgeschwindigkeit abläuft.
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4 veranschaulicht einen Reaktor mit leiterplattenartigen Strukturen 11, der sich zur Verwendung bei der Phthalsäureanhydridproduktion eignet und einen Reaktantenfluideinlass 12 zur Aufnahme von zu verarbeitendem Reaktantenfluid und einen Fluidauslass 13 aufweist, durch den ein Produkt gewonnen werden kann.
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Der Reaktor 11 beinhaltet mindestens ein katalytisches Bett 14 in Verbindung mit dem Reaktantenfluideinlass 12. Neben dem katalytischen Bettreaktor 14 sind Wärmeaustauscher mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) 15 vorgesehen.
