DE60222630T2 - Reaktor und kühlersystem für exotherme reaktionen - Google Patents

Reaktor und kühlersystem für exotherme reaktionen Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor und ein Kühlersystem zur Durchführung von exothermen Reaktionen, wie die Reaktion von molekularem Sauerstoff und Ethylen zur Bildung von Ethylenoxid.
  • STAND DER TECHNIK
  • Die Oxidation von Ethylen zur Erzeugung von Ethylenoxid kann gewöhnlich in einem Reaktor mit Rohren und einem Mantel durchgeführt werden. Ein geeigneter fester, Silber enthaltender Katalysator wird in längliche Rohre eingebracht, und die Reaktionsgase werden bei Reaktionsbedingungen zum Kontakt mit dem Katalysator durchgeleitet. Auf der Mantelseite ist ein zir kulierendes Fluid zur Entfernung der durch die exotherme Reaktion erzeugten Hitze vorgesehen.
  • Es ist wichtig, dass das Gemisch der Reaktionsgase nach Beendigung der gewünschten Reaktion schnell abgekühlt wird, damit die Möglichkeit einer vollständigen Oxidation sowie unerwünschte Nebenreaktionen, wie die Bildung von Formaldehyd und/oder Acetaldehyd minimiert werden; die Bildung dieser Produkte verursacht Probleme bei der Reinigung, da sie von dem Produkt Ethylenoxid nur schwer abzutrennen sind.
  • Dieses Problem ist bekannt, und es wurde u. a. vorgeschlagen, den letzten Abschnitt der Reaktorrohre zu verwenden, um die Reaktionsgase abzukühlen. Die US-Patentschrift 4,061,659 schlägt eine Kühlzone angrenzend an die Reaktionszone vor, wobei die Kühlzone mit inerten temperaturbeständigen Teilchen mit einer Oberfläche von 0,1 m2/g oder weniger gefüllt ist.
  • Die GB-Patentschrift 1,440,091 betrifft einen Röhrenreaktor, der in drei unterschiedliche Zonen getrennt ist. Die Reaktionsgase werden durch Rohre geleitet, wobei ein erster Abschnitt mit inerten Teilchen gefüllt ist, um eine Vorheizzone zu bilden, in einem zweiten Abschnitt sind die Rohre mit Katalysator gefüllt, um eine Reaktionszone zu bilden, und die gleichen Rohre sind in einem dritten Abschnitt mit inerten Teilchen oder gar nicht gefüllt, um eine Kühlzone zu bilden.
  • Die US-Patentschrift 4,921,681 betrifft einen Röhrenreaktor mit einer Vorheiz-, einer Reaktions- und einer Kühlzone.
  • Die jüngere US-Patentschrift 5,292,904 beschreibt einen ähnlichen Röhrenreaktor, wobei die Rohre in eine Vorheizzone, eine Reaktionszone und schließlich eine gefüllte Kühlzone unterteilt sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft einen verbesserten Reaktor und ein Kühlsystem, deren Herstellung und Betrieb kostengünstiger ist, und das ein schnelles Abkühlen der Reaktionsgase ermöglicht. Ein Röhrenreaktor herkömmlicher Art wird in Verbindung mit einem Wärmetauscher verwendet, der als Einheit (einstückig) mit dem Auslasskopf des Röhrenreaktors verbunden ist und eine Abkühlung der Reaktionsgase bewirkt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die beigefügte Zeichnung stellt den erfindungsgemäßen Reaktor und das Kühlersystem schematisch dar.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • Nach der Zeichnung ist der Reaktor 1 ein Reaktor mit Rohren und einem Mantel, wie er üblicherweise für die Erzeugung von Ethylenoxid verwendet wird. Im Reaktor ist eine Vielzahl von länglichen Rohren 2 angeordnet, wobei die Einlassenden an der Rohrplatte 3 und die Auslassenden an der Rohrplatte 4 befestigt sind. Es sind ein Reaktor-Einlasskopf 5 und ein Reaktor-Auslasskopf 6 vorgesehen.
  • Die FR-Patentschrift 1,349,843 beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung von Reaktionen und zum anschließenden Kühlen der Reaktionsprodukte, wobei die Vorrichtung einen Reaktor und einen daran befestigten Wärmetauscher umfasst. Die FR-Patentschrift 1,349,843 offenbart einen getrennten Reaktor und Wärmetauscher, die mit einem Ring 21 des Wärmetauschers trennbar verbunden sind, der mit einem Ring 22 an dem Deckel 12 des Reaktors angeschraubt ist. Diese Verbindung stellt keine einheitliche Struktur dar.
  • Weiterhin ist der Wärmetauscher nach der FR 1,349,843 an einem mittleren Punkt an dem Reaktor befestigt. Das obere Ende des Wärmetauschers ist nicht an dem unteren Ende des Reaktors befestigt.
  • Nach der FR 1,349,843 ist weiterhin eine ringförmige Abtrennung 19 erforderlich, die die Rohre des Reaktors physikalisch von den Rohren des Wärmetauschers trennt und eine interne Teilung bewirkt; sie ist nicht einstückig mit einer Öffnung des Reaktors verbunden.
  • Die US-Patentschrift 4,778,882 beschreibt eine Vorrichtung für chemische Dehydrierreaktionen. Diese Vorrichtung umfasst ein System von miteinander verbundenen Komponenten für die Entfernung von Wasser aus einem Reaktionssystem. Die US-Patentschrift 4,778,882 bezieht sich jedoch weder auf die Oxidation von Ethylen zu Ethylenoxid, noch auf eine analoge Funktion.
  • Der Wärmetauscher 7 mit einem Mantel und Rohren ist an dem Reaktor-Auslasskopf 6 befestigt und einstückig damit verbunden; in dem Auslasskopf 6 ist eine Öffnung zur Kommunikation mit dem Wärmetauscher 7 vorgesehen, und der Wärmetauscher 7 ist zweckmäßig um die Öffnung an den Auslasskopf 6 angeschweißt, wodurch eine einstückige Struktur mit dem Reaktor gebildet wird. Im Wärmetauscher 7 sind Rohre 8 vorgesehen, die, wie dargestellt, an den Rohrplatten 9 und 10 befestigt sind. Es ist ein Wärmetauscher-Auslasskopf 11 vorgesehen.
  • Im Betrieb werden die Reaktionsgase, z. B. Ethylen, Sauerstoff und Ballastgase, über die Leitung 12 in den Reaktor 1 eingeführt und unter Reaktionsbedingungen durch die Reaktorrohre 2 geleitet, die mit einem geeigneten Silberkatalysator gefüllt sind. Die Reaktionswärme wird durch ein zirkulierendes Wärmeübertragungsfluid, wie Wasser, entfernt, das über die Leitung 13 auf die Mantelseite des Reaktors 1 geleitet und über die Leitung 14 entfernt wird.
  • Die Reaktionsgase werden durch die Rohre 2 geleitet, in denen Ethylenoxid gebildet wird, und nach dem Austritt aus den Rohren 2 werden die Gase zum Auslasskopf 6 und dann in die Rohre 8 des Kühlers 7 geleitet und sofort abgekühlt, um eine weitere Oxidation und Isomerisierung zu verhindern. Ein Kühlfluid wird über die Leitung 15 an die Mantelseite des Kühlers 7 geleitet und über die Leitung 16 entfernt. Wasser ist eine geeignete und bevorzugte Kühlflüssigkeit. Die abgekühlten Reaktionsgase treten aus dem Kühler 7 über die Leitung 17 aus und werden in herkömmlicher Weise behandelt, um das Produkt zu gewinnen und die verschiedenen Komponenten zu recyceln.
  • Einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktors und Kühlersystems besteht darin, dass der Wärmetauscher 7 speziell für eine maximale Wirksamkeit bei der Kühlung der Reaktionsgase ohne die nach früheren Vorschlägen geltenden Einschränkungen ausgebildet werden kann, bei denen die Reaktorrohre für die Kühlfunktion verwendet werden. Die Strömungsgeschwindigkeiten, Temperaturen und dergleichen werden für den Wärmetauscher 7 getrennt und unabhängig von der Wärmeableitung im Reaktor 1 reguliert.
  • Die Wärmetauscherrohre 8 können mit inerten Feststoffen gefüllt werden, sind aber vorzugsweise nicht mit festen Materialien gefüllt.
  • Die Befestigung des Wärmetauschers direkt am Reaktorkopf ermöglicht eine wirksame Ausgestaltung des Kühlers und eine ausgezeichnete strukturelle Einheit, und gewährleistet die sofortige Abkühlung der Reaktionsgase infolge der Nähe des Wärmetauschers zum Reaktor.
  • Die Abkühlung in den Rohren 8 erfolgt unabhängig von den Reaktionsbedingungen im Reaktor 1, da die Wärmetauscherflüssigkeit im Wärmetauscher 7 nicht auf die Bedingungen im Reaktor 1 beschränkt ist, wie es der Fall ist, wenn eine Kühlzone als Erweiterung der Rohre 2 des Reaktors 1 verwendet wird. Daher können während des gesamten Katalysatorzyklus im Wärmetauscher 7 optimale Bedingungen aufrechterhalten werden, auch wenn sich die Bedingungen im Reaktor 1 ändern.
  • Durch die Konstruktion des Wärmetauschers 7 als einstückiger Teil des Reaktors 1 wird zusätzlich die Aufenthaltszeit im Reaktor-Auslasskopf 6 minimiert, so dass die Zeit für die Bildung von Nebenprodukten begrenzt ist; dies steht im Gegensatz zur herkömmlichen Praxis, wo eine Leitung vorgesehen ist, in der die Reaktionsgase zu einem getrennten externen Wärmetauscher geleitet werden.
  • Der erfindungsgemäße verbesserte Reaktor und Wärmetauschkühler ist allgemein brauchbar für exotherme Reaktionen wie Oxidationen, die in Röhrenreaktoren durchgeführt werden, wobei die Reaktanten mit einem Katalysator in Kontakt kommen, der in Reaktorrohren eines Reaktors mit Rohren und einem Mantel gefüllt ist. Die Oxidation von Ethylen zu Ethylenoxid ist ein wichtiges Beispiel.
  • Die Reaktoren, die einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden, gehören einem allgemein bei der Technologie von exothermen Reaktionen, wie der Erzeugung von Ethylenoxid, verwendeten Typ an. Herkömmlich umfassen diese Reaktoren einen oberen Einlasskopf für die Zufuhr von Reaktionsgasen und einen Auslasskopf für den Austritt des Reaktionsproduktes. Es sind Rohrplatten als Träger für die Vielzahl von mit dem geeigneten Katalysator gefüllten Rohren, durch die die gasförmigen Reaktanten geleitet werden, und in denen die gewünschte Reaktion stattfindet, vorgesehen. Bei der Erzeugung von Ethylenoxid sind Reak toren mit einem Durchmesser von 4,5 bis 6,1 m (15 bis 20 Fuß) üblich, bei denen Tausende von Reaktorrohren, z. B. 20.000 oder mehr, von den Rohrplatten in dem Reaktor getragen werden. Die Länge der Rohre kann bis zu 12,2 m (40 Fuß) betragen, wobei ein Bereich von 6,1 bis 12,2 m (20 bis 40 Fuß) und ein Außendurchmesser der Rohre von 2,54 bis 5,08 cm (1 Zoll bis 2 Zoll) beispielhaft ist. Das Wärmetauschermedium ist zur Entfernung der Hitze aus der exothermen Reaktion vorgesehen. Es können verschiedene Flüssigkeiten, einschließlich Wasser, Dowtherm und dergleichen verwendet werden.
  • Entscheidend für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die Bereitstellung des Wärmetauschers als Einheit mit dem Auslasskopf des Röhrenreaktors mit einer Öffnung im Auslass 6, um die der Wärmetauscher angeschweißt ist. In der Zeichnung ist der einstückig verbundene Wärmetauscher als Wärmetauscher 7 identifiziert. Allgemein kann der Durchmesser des Wärmetauschers im Bereich von etwa 1,2 m bis 2,4 m (4 Fuß bis 8 Fuß) liegen und enthält Rohre, die durch die obere und die untere Rohrplatten getragen werden, wobei die Anzahl der Rohre zwischen 800 und etwa 3.000 liegt und der äußere Durchmesser etwa 2,54 cm bis etwa 4,45 cm (1 Zoll bis etwa 1,75 Zoll) beträgt. Es ist eine Wärmetauscherflüssigkeit zur Kühlung der Wärmetauscherrohre vorgesehen, damit die Temperatur des Reaktionsgemischs rasch auf einen Punkt abgekühlt werden kann, unterhalb dessen keine weitere Oxidation und/oder Bildung von verschiedenen Nebenprodukten stattfindet. Die Wärmetauscherflüssigkeit ist vorzugsweise Wasser.
  • Die Reaktorrohre sind mit herkömmlichen geträgerten Silberkatalysatoren gefüllt. Geeignete Katalysatoren und die Bedingungen bei ihrer Verwendung sind beispielsweise in den US-Patentschriften 5,504,052 , 5,646,087 , 5,691,269 , 5,854,167 und dergleichen beschrieben.
  • Der Reaktorteil der Vorrichtung besteht aus Materialien, die auf diesem bestimmten Gebiet gut bekannt sind. Der Wärmetauscherteil besteht vorzugsweise aus Kohlenstoffstahl oder Duplexstahl, und die darin enthaltenen Rohre sind vorzugsweise offen und nicht gefüllt, obwohl auf Wunsch ein inertes Füllmaterial, wie Aluminiumoxid oder dergleichen, eingesetzt werden kann.
  • Röhrenreaktoren beispielsweise für die Erzeugung von Ethylenoxid sind bekannt und diese Reaktoren können den Reaktorteil der vorliegenden Vorrichtung enthalten.
  • Ein spezifisches Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung für die Oxidation von Ethylen zur Erzeugung von Ethylenoxid ist in der beigefügten Figur beschrieben. Das Konstruktionsmaterial für den Reaktor 1 und den Kühler 7 ist Kohlenstoffstahl. Der Reaktor hat einen Durchmesser von 5,03 m (16,5 Fuß) und enthält Rohre, die von den Rohrplatten 3 und 4 getragen werden, und die 8.809 Reaktorrohre haben eine Länge von 8,23 m (27 Fuß), wobei jedes Rohr einen äußeren Durchmesser von 3,81 cm (1,5 Fuß) hat.
  • An den unteren Auslasskopf 6 des Reaktors 1 ist der Wärmetauscher 7 angeschweißt. Der Wärmetauscher hat einen Durchmesser von etwa 1,83 m (6 Fuß) und eine Länge von etwa 3,05 m (10 Fuß), und ist an eine 1,74 [m] (5,7 Fuß) große Öffnung im Kopf 6 angeschweißt. Durch die Rohrplatten 9 und 10 werden im Wärmetauscher 7 1.468 Rohre getragen, die offen und nicht mit Feststoff gefüllt sind. Die Rohre haben einen Außendurchmesser von 3,18 cm (1,25 Zoll).
  • Die über die Leitung 15 eingeführte und über die Leitung 16 entfernte Wärmetauscher-Kühlflüssigkeit ist Wasser.
  • Allgemein haben die aus dem Reaktor 1 über den Kopf 6 austretenden Reaktionsgase eine Temperatur im Bereich von 215°C bis 282°C (420°F bis 540°F). Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden diese Gase im Wärmetauscher 7 fast sofort auf unterhalb die Temperatur gekühlt, bei der keine weiteren Reaktionen stattfinden, d. h. auf 215°C (420°F) oder weniger. Die Reaktionsgase treten in den Wärmetauscher 7 im Wesentlichen mit der Austritts-Reaktionstemperatur aus dem Reaktor 1 ein und verlassen den Wärmetauscher 7 durch den Austrittskopf 11 über die Leitung 17. Nach der erfindungsgemäßen Praxis wird das über die Leitung 17 ausgetretene Reaktionsgasgemisch nach bekannten Verfahren behandelt, um das Produkt abzutrennen und zu gewinnen, sowie um Bestandteile des Gemischs, wie nicht umgesetztes Ethylen, Sauerstoff und Ballastgas, zu recyceln.

Claims (20)

  1. System mit einem Reaktor (1) und einem Wärmetauscherkühler (7), das umfasst einem rohrförmigen Reaktor mit einem oberen Einlasskopf (5) und einem unteren Auslasskopf (6), Reaktionsrohren (2) in dem Reaktor, die mit Katalysator gefüllt sind und die durch einen Rohrboden am Einlassende (3) und einen Rohrboden am Auslassende (4) gehalten werden, einem rohrförmigen Wärmetauscher, der ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist, und Rohrböden für das obere und untere Ende umfasst, die die Rohre in dem Wärmetauscher halten, wobei das obere Ende des Wärmetauschers um eine Öffnung des unteren Auslasskopfes des Reaktors herum einstückig befestigt ist, so dass eine einstückige Struktur mit dem Reaktor gebildet wird, wobei die Öffnung des unteren Auslasskopfes des Reaktors zum Durchgang von Reaktionsgas vom Reaktor zum Wärmetauscher (7) und durch Rohre im Wärmetauscher (7) dient, wobei die Reaktionsgase durch indirekten Wärmetausch mit einem Wärmetauscherfluidum gekühlt werden, die in den Wärmetauscher (7) eingebracht werden.
  2. System nach Anspruch 1, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Rohre sowohl im Reaktor als auch im Wärmetauscher mit Wasser zu kühlen.
  3. System nach Anspruch 1, wobei der Reaktor mit einem Silberkatalysator auf einem Träger gefüllt ist.
  4. System nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher eine Fluidumeinbringungsleitung umfasst.
  5. System nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher eine Fluidumabzugleitung umfasst.
  6. System nach Anspruch 1, umfassend mindestens zwanzigtausend Reaktionsrohre (2), wobei die Reaktionsrohre eine Länge von 4,5 m (15 Fuß) bis 12,2 m (40 Fuß), und einen Außendurchmesser von 2,54 cm (1 Zoll) bis 5,08 cm (2 Zoll) aufweisen.
  7. System nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher um die Öffnung des unteren Auslasskopfes des Reaktors herum angeschweißt ist.
  8. System nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher einen Durchmesser von etwa 1,2 m (4 Fuß) bis 2,4 m (8 Fuß) aufweist und Rohre umfasst, deren Zahl von 800 bis etwa 3.000 beträgt und deren Außendurchmesser von etwa 2,54 cm (1 Zoll) bis etwa 4,45 cm (1,75 Zoll) beträgt.
  9. Verfahren zur Oxidation von Ethylen, um Ethylenoxid zu bilden, das umfasst: a) Bereitstellen eines Systems aus einem Reaktor und einem Wärmetauscherkühler, wie es in Anspruch 1 definiert ist, mit einem Katalysator in dem Reaktor, der sich vom oberen Einlasskopf zum unteren Einlasskopf erstreckt; b) Einbringen von Ethylen und Sauerstoff in die Reaktionsrohre und Veranlassen, dass Ethylen und Sauerstoff in den Reaktionsrohren reagieren, um ein Reaktionsgas zu bilden, das Ethylenoxid umfasst; und c) Kühlen des Reaktionsgases.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein zusätzlich ein Ballastgas in die Reaktionsrohre eingebracht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Katalysator geträgertes Silber umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Reaktionsrohre gekühlt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Reaktionsrohre mit Wasser gekühlt werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Wärmetauscherfluidum Wasser ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Reaktionsgase, die vom Reaktor zum Wärmetauscher gelangen, eine Temperatur von 215°C (420°F) bis 282°C (540°F) aufweisen.
  16. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Reaktionsgase im Wärmetauscher auf eine Temperatur von 215°C (420°F) oder darunter gekühlt werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Kühlung des Reaktionsgases mit einem Wärmetauscherfluidum durchgeführt wird, das in den Wärmetauscher durch eine Fluidumeinführungsleitung eingebracht wird, wobei das Wärmetauscherfluidum in der Folge durch eine Fluidumabzugleitung abgezogen wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Wärmetauscherfluidum Wasser ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 9, umfassend mindestens zwanzigtausend Reaktionsrohre, wobei die Reaktionsrohre eine Länge von 4,5 m (15 Fuß) bis 12,2 m (40 Fuß) und einen Außendurchmesser von 2,54 cm (1 Zoll) bis 5,08 cm (2 Zoll) aufweisen, und wobei der Wärmetauscher einen Durchmesser von etwa 1,2 m (4 Fuß) bis 2,4 m (8 Fuß) aufweist und Rohre umfasst, deren Zahl von 800 bis etwa 3.000 beträgt und deren Außendurchmesser von etwa 2,54 cm (1 Zoll) bis etwa 4,45 cm (1,75 Zoll) beträgt.
  20. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Wärmetauscher an den Reaktor angeschweißt ist.
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