DE60317545T2

DE60317545T2 - Verfahren zur durchführung von stark exothermen oxidationsreaktionen unter pseudo-isothermischen bedingungen

Info

Publication number: DE60317545T2
Application number: DE60317545T
Authority: DE
Inventors: Ermanno Filippi; Enrico Rizzi; Mirco Tarozzo; Keith A. Clayton
Original assignee: Ammonia Casale SA
Current assignee: Casale SA
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: ATE378105T1; RU2321456C2; EP1551544B1; CN100344360C; CA2502570C; BR0315333A; CN1688385A; UA79646C2; EP1410842A1; AU2003273834A1; RU2005115066A; BR0315333B1; US8529861B2; CA2502570A1; US20060140844A1; DE60317545D1; MXPA05004010A; MY136339A; WO2004035198A1; EP1551544A1

Description

Gebiet der Erfindung
In ihrem breitesten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Ausführen von exothermen chemischen Reaktionen unter pseudo-isothermischen Bedingungen.
Für den Rest der Beschreibung und in den sich anschließenden Ansprüchen sollen mit dem Ausdruck "pseudo-isothermische Bedingungen" diejenigen Bedingungen gemeint sein, bei denen die Reaktionstemperatur in einem eingeschränkten Bereich von Werten um einen vorbestimmten Optimalwert herum gesteuert bzw. geregelt wird.
Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum Ausführen von hochgradig exothermen, katalysierten Reaktionen unter pseudo-isothermischen Bedingungen, wie etwa oxidativen Reaktionen, zum Beispiel die Oxidation von Ammoniak, die Salpetersäure zum Resultat hat, und die Oxidation von Methanol, um Formaldehyd zu ergeben.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Ausführen des vorstehend erwähnten Verfahrens.
Stand der Technik
Um eindeutig gefährliche Betriebsbedingungen zu vermeiden, ist es bei hochgradig exothermen oxidativen Reaktionen hinlänglich bekannt, dass eine oder mehrere Betriebsvariablen gesteuert werden müssen, wie etwa die Reaktionstemperatur und die Konzentration von zumindest einem Reaktionspartner.
So führen zum Beispiel bei der Herstellung von Formaldehyd durch die Oxidation von Methanol die hohe Konzentration der Reaktionspartner und die stark exotherme Natur der Reaktion schnell zu einem Betrieb unter explosiven Bedingungen; hieraus entsteht die Notwendigkeit, sowohl die Konzentration der Reaktionspartner als auch die Reaktionstemperatur streng auf Werte unterhalb von günstig festgelegten Werten einzuregeln.
Wenn die Reaktionstemperatur und die Konzentration der Reaktionspartner diese Werte überschreiten, können ferner Erscheinungen der "Vergiftung" und Zersetzung des Katalysators auftreten, mit der daraus folgenden, unvermeidbaren Verringerung des Ausstoßes. Dies ist der Fall bei einer Oxidation von Ammoniak, um Salpetersäure herzustellen, wo der auf Co₃O₄ basierende Katalysator eine schnelle CoO-Reduktion durchmacht, eine viel weniger aktive Form von CO₃O₄, und zwar genau zu dem Zeitpunkt, wenn die Konzentration des Reaktionspartners bei einer vorbestimmten Temperatur einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Zur Steuerung der Temperatur und der Konzentration der Reaktionspartner wurde vorgeschlagen, die Reaktionen der betrachteten Art in Fließbettreaktoren auszuführen.
Diese Art von Reaktor leidet jedoch an vielen anerkannten Nachteilen, wie etwa an einem überhöhten Energieverbrauch, der in der Notwendigkeit begründet liegt, große Mengen von Luft einzubringen, um so die Konzentration von Ammoniak unterhalb der Explosivitätsgrenze zu halten, einer größeren konstruktiven Komplexität im Hinblick auf Reaktoren mit fest installierten Betten, sowie an Problemen bezüglich der Staubrückgewinnung.
Ferner hat der in Fließbettreaktoren in Bewegung befindliche Katalysator eine korrosive Wirkung an den Wänden der Reaktoren selbst.
In FR-A-2029533 ist ein Verfahren zum Ausführen von exothermen Reaktionen in einem Reaktor offenbart, der eine Vielzahl von katalytischen Betten aufweist, wobei die Temperatur des Reaktionsgemischs zwischen den katalytischen Betten gesteuert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, ein Verfahren zum Ausführen von hochgradig exothermen oxidativen Reaktionen unter pseudo-isothermischen Bedingungen zwischen Reaktionspartnern bereitzustellen, die in kontinuierlichem Strom in ein bestimmtes katalytisches Bett eingeleitet werden, mit dem man in der Lage ist, die vorstehend mit Bezug auf den Stand der Technik erwähnten Nachteile zu überwinden, anders ausgedrückt, unterhalb der Explosivitätsgrenzen der Gemische aus Reaktionspartnern und Produkten von Reaktionspartnern zu arbeiten, und eine längere Lebensdauer des Katalysators zu fördern.
Das vorstehend erwähnte technische Problem wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest ein Teil des kontinuierlichen Stroms aus Reaktionspartnern in eine katalytische Masse des katalytischen Bett an verschiedenen Punkten der katalytischen Masse eingeleitet wird, die verschiedenen aufeinander folgenden Stufen der Reaktion entsprechen, die in dem katalytischen Bett bei jeweils verschiedenen vorbestimmten Temperaturen und Durchflussraten stattfindet, wo die Konzentration der Reaktionspartner gering ist..
In dem nicht einschränkenden Verwendungsfall eines pseudo-isothermischen Reaktors mit einer vertikalen Achse und einem katalytischen Bett, das von den Reaktionspartnern axial durchquert wird, sind die aufeinander folgenden Stufen der Reaktion auf verschiedene jeweilige Höhen im katalytischen Bett festgelegt, wobei die Reaktionspartner mit den vorbestimmten Durchflussraten und Temperaturen eingeleitet werden.
Die Merkmale und Vorteile des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nun folgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform hiervon, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, welche zu aufzeigenden und nicht einschränkenden Zwecken bereitgestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch einen chemischen Reaktor zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 zeigt schematisch eine vergrößerte Ansicht einer Einzelheit des Reaktors von 1.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Mit Bezug auf 1 ist ein chemischer Reaktor mit einer vertikalen Achse, der zur Ausführung von hochgradig exothermen Reaktionen verwendet wird, zum Beispiel und vorzugsweise von oxidativen Reaktionen wie die Oxidation von Ammoniak zur Herstellung von Salpetersäure, allgemein und schematisch mit 1 angegeben.
Der Reaktor 1 umfasst eine zylindrische Hülle 2, entgegengesetzte Endplatten, und zwar eine untere 3 und obere 4 Endplatte. Die obere Endplatte 4 ist mit einem Mannloch 5 ausgestattet, wohingegen die untere Endplatte 3 mit einer Öffnung 6 zum Ablassen der Reaktionsprodukte ausgestattet ist.
In der Hülle 2 ist eine Reaktionszone 7 ausgebildet, die darstellungsgemäß zwischen einer unteren Linie 8 und einer oberen Linie 9 liegt, um ein bestimmtes katalytisches Bett (L) aufzunehmen, das dazu gedacht ist, axial von den Reaktionsgasen und den Reaktionsprodukten durchquert zu werden.
Das katalytische Bett (L) ist in einer an und für sich bekannten Art gehaltert und von daher nicht dargestellt.
Eingetaucht in das katalytische Bett (L) bzw. in diesem gehaltert sind eine Vielzahl von Wärmetauschern 10 und eine entsprechende Vielzahl von Verteil- und Zufuhreinrichtungen 12; die Wärmetauscher 10 sind plattenförmig, rechteckig und vorzugsweise radial in vielen konzentrischen Reihen und koaxial zur Hülle angeordnet, wobei die Längsseiten 11 parallel zur Achse der Hülle selbst liegen.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung und entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist jedem Wärmetauscher 10 ein Paar Verteil- und Zufuhreinrichtungen 12 zugeordnet, die insbesondere an ihm befestigt sind; für diesen bilden Letztere eine entsprechende Halterung, wie aus dem restlichen Teil der Beschreibung klar werden wird.
Insbesondere mit Bezug auf 2 umfasst jeder Wärmetauscher 10 eine Wand 27 und eine Wand 28, die gegenüberliegend angeordnet und am Umfang zum Beispiel durch eine entsprechende Schweißung miteinander verbunden sind, und zwar in einem voneinander beabstandeten Verhältnis, um so eine erste Kammer 18 zwischen ihnen zu bilden.
Nahe einer Seite 11 des Wärmetauschers 10 und über eine Schweißlinie 25, die einen zur Seite 11 parallelen Abschnitt 32 und einen dazu senkrechten Abschnitt 33 hat, ist zwischen den Wänden 27 und 28 auch eine zweite Kammer 19 gebildet, die fluiddicht von der ersten Kammer 18 getrennt ist.
Die Kammer 18 ist mit einem Einlassanschlussstutzen 29 und mit einem Auslassanschlussstutzen 31 ausgestattet, wohingegen die Kammer 19 nur einen Einlassanschlussstutzen 34 aufweist.
Zwei kastenförmigen Schächte 20 und 22 sind an der Wand 27 jedes Wärmetauschers 10 befestigt und erstrecken sich über die gesamte Breite des jeweiligen Wärmetauschers 10 senkrecht zur Seite 11.
Die Schächte 20 und 22 bilden mit der Wand 27 jeweilige Kanäle 21 und 23 aus, die an einer Seite über Öffnungen 36 und 37, die in der Wand 27 ausgebildet sind, mit der zweiten Kammer 18 in Fluidverbindung stehen, und auf der anderen Seite mit der Außenseite des Wärmetauschers 10 und von daher mit dem katalytischen Bett (L), in welches der Wärmetauscher 10 eingetaucht ist, und zwar über eine Vielzahl von Löchern 26, die in den Schächten selbst gebildet sind.
Vorzugsweise sind die Löcher 26 in geradlinigen Ausrichtungen angeordnet, die in Längsrichtung zu den jeweiligen Schächten 20, 22 verlaufen.
Die Schächte 20 und 22, die durch einen jeweiligen Wärmetauscher 10 gehaltert sind, bilden im Wesentlichen eine Verteil- und Zufuhreinrichtung 12 für ein vorbestimmtes Fluid, das den Schächten durch die Kammer 18 zugeführt wird.
Die Vielzahl der Wärmetauscher 10 mit den zugehörigen Verteil- und Zufuhreinrichtungen 12 bildet gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung, die sich dazu eignet, die Temperatur und die Konzentration der Reaktionspartner im katalytischen Bett (L) zu steuern, wie aus dem restlichen Teil der Beschreibung klar werden wird.
Der Reaktor 1 umfasst auch:

– Einleitkanäle (13 und 14) für die bestimmten Reaktionspartner, die durch ein System, das Kanäle (15 und 16) und jeweilige Anschlussstutzen (30 und 35) umfasst, in Fluidverbindung mit der Kammer 18 bzw. 19 jedes Wärmetauschers 10 stehen.
– Sammelkanäle 17 für die Reaktionsprodukte, die auf einer Seite mit den Auslassanschlussstutzen 31 jedes Wärmetauschers in Fluidverbin dung stehen, und auf der anderen Seite mit einem Zentralkanal 24, der axial im Reaktor vorgesehen ist.

Mit Bezug auf die vorstehend erwähnte Vorrichtung wird nun das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Ausführen von hochgradig exothermen oxidativen Reaktionen unter pseudo-isothermischen Bedingungen durch gleichzeitige Steuerung der Reaktionstemperatur und der Konzentration von Reaktionspartnern um jeweilige vorbestimmte Werte herum beschrieben.
Ein Strom aus Reaktionspartnern, zum Beispiel Ammoniak und Sauerstoff zur Herstellung von Salpetersäure, wird kontinuierlich in den Reaktor 1 eingeleitet und bei Eintritt in zwei Teile getrennt.
Ein erster Teil oder Hauptteil des Stroms wird auf die geeignetste Temperatur vorgewärmt, um die gewünschte Reaktion (Oxidation von Ammoniak) durch den Wärmeaustausch mit dem katalytischen Bett (L) auszulösen; zu diesem Zweck und in dem dargestellten spezifischen Fall wird der Hauptteil des Stroms aus Reaktionspartnern durch die Verteileinrichtung 12 auf alle Kanäle 15 – Anschlussstutzen 30 aufgeteilt, um die Kammern 18 aller Wärmetauscher 10 zu speisen.
Bei Austritt aus der Vielzahl der Wärmetauscher 10 werden die so vorgewärmten Reaktionspartner vom Sammler 17 gesammelt, der sie zum unteren Ende des Zentralkanals 24 leitet. Bei Austritt aus dem oberen Ende des Kanals 24 werden die vorgewärmten Reaktionspartner über dem katalytischen Bett (L) verteilt, bei dessen Durchquerung sie die gewünschte hochgradig exotherme oxidative Reaktion beginnen.
Ein zweiter Teil des Stroms aus Reaktionspartnern, oder Steuerstrom, wird auf alle Kammern 19 der Vielzahl der Wärmetauscher 10 aufgeteilt, wobei dieser Strom von jeder Kammer in die jeweiligen Paare der Verteil- und Zufuhreinrichtungen 12 geleitet wird.
Wie vorstehend beschrieben ist, sind die Verteil- und Zufuhreinrichtungen 12 in der katalytischen Masse des Betts (L) auf Höhen angeordnet, die genau den Stufen der stattfindenden Reaktion entsprechen, wobei in Übereinstimmung damit vorgesehen ist, die Konzentration und Temperatur der Reaktionspartner zu steuern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine solche Steuerung im Wesentlichen dadurch ermöglicht, dass an vorbestimmten Punkten des katalytischen Betts ein frischer Strom aus Reaktionspartnern eingespritzt wird, deren Konzentration kontinuierlich geregelt wird, wobei in einer geeigneten und an und für sich bekannten Art und Weise die Durchflussrate des zweiten Teils des Stroms aus Reaktionspartnern eingestellt wird.
Die Reaktionsprodukte werden aus dem Reaktor 1 durch die Öffnung 6 abgelassen.
An der so konzipierten Erfindung können Variationen und Modifikationen vorgenommen werden, die alle durch den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgedeckt sind, der durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zum Ausführen von hochgradig exothermen oxidativen Reaktionen unter pseudo-isothermischen Bedingungen zwischen Reaktionspartnern, die in kontinuierlichem Strom in ein bestimmtes katalytisches Bett (L) eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des kontinuierlichen Stroms aus Reaktionspartnern in eine katalytische Masse des katalytischen Bett (L) an verschiedenen Punkten der katalytischen Masse eingeleitet wird, die verschiedenen aufeinander folgenden Stufen der Reaktion entsprechen, die in dem katalytischen Bett (L) bei jeweils verschiedenen vorbestimmten Temperaturen und Durchflussraten stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – mehrere Verteil- und Zufuhreinrichtungen (20, 22) im katalytischen Bett (L) an verschiedenen Punkten von diesem angeordnet sind, die genau verschiedenen bestimmten Stufen der oxidativen Reaktion entsprechen, – der kontinuierliche Strom aus Reaktionspartnern in einen ersten Teil oder Hauptstrom und einen zweiten Teil oder Steuerstrom mit vorbestimmter Temperatur und Durchflussrate aufgeteilt wird, – der erste Teil oder Hauptstrom durch Wärmeaustausch mit dem katalytischen Bett (L) erwärmt wird, wobei er durch mehrere Wärmetauscher (10) geleitet wird, die im katalytischen Bett (L) eingetaucht und darin gehaltert sind, – der Hauptstrom aus vorgewärmten Reaktionspartnern wieder zusammengeführt und kontinuierlich in das katalytische Bett (L) eingeleitet wird, – der zweite Teil oder Steuerstrom in die mehreren Verteil- und Zufuhreinrichtungen (20, 22) eingeleitet wird, um jeweils frische Ströme aus Reaktionspartnern bei einer vorbestimmten Temperatur und Durchflussrate in das katalytische Bett (L) einzuspritzen.
Vorrichtung zum Ausführen einer hochgradig exothermen oxidativen Reaktion unter pseudo-isothermischen Bedingungen gemäß dem Verfahren der Ansprüche 1 und 2, mit mehreren Wärmetauschern (10), dadurch gekennzeichnet, dass jedem Wärmetauscher zumindest eine Verteil- und Zufuhreinrichtung (20, 22) zugeteilt ist, die sich dazu eignet, kontinuierlich mit einem Strom aus Reaktionspartnern mit vorbestimmter Temperatur und Durchflussrate gespeist zu werden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verteil- und Zufuhreinrichtung (20, 22) fest von dem jeweiligen Wärmetauscher (10) gehaltert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) plattenförmig ist und im Wesentlichen rechteckig, in dessen Inneren eine erste Kammer (18), die dazu gedacht ist, von einem entsprechenden Strom aus vorzuwärmenden Reaktionspartnern durchquert zu werden, und eine zweite Kammer (19) ausgebildet sind, die fluiddicht von der ersten Kammer (18) getrennt ist und in Fluidverbindung mit der mindestens einen Verteil- und Zufuhreinrichtung (20, 22) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteil- und Zufuhreinrichtung (20, 22) einen Schacht umfasst, der an einer Wand eines jeweiligen plattenförmigen Wärmetauschers (10) befestigt ist, mit der er im Wesentlichen einen Kanal bildet, der auf einer Seite mit der zweiten Kammer (19) des Wärmetauschers (10) und auf der anderen Seite mit der Außenseite des Wärmetauschers (10) selbst in Fluidverbindung steht, und zwar durch eine Mehrzahl von in dem Schacht ausgebildeten Löchern.
Reaktor zum Ausführen von hochgradig exothermen katalytischen oxidativen Reaktionen unter pseudo-isothermischen Bedingungen, eine Hülle umfassend, in der eine Reaktionszone gebildet ist, die wenigstens zum Teil von einem katalytischen Bett (L) belegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 3 bis 6 umfasst, die im katalytischen Bett (L) eingetaucht ist.