DE69012721T2

DE69012721T2 - Katalytischer Reaktor zur Durchführung einer chemischen Reaktion.

Info

Publication number: DE69012721T2
Application number: DE69012721T
Authority: DE
Inventors: Andries Quirin Maria Boon; John Wilhelm Geus; Wingerden Antonius Johanne Van
Original assignee: Gastec NV
Current assignee: Gastec NV
Priority date: 1989-09-08
Filing date: 1990-09-05
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: KR910005917A; DE69012721D1; EP0416710B1; EP0416710A1; DK0416710T3; CA2024524C; ES2064602T3; UA35543C2; RU2013118C1; ATE111767T1; JP3150687B2; AU628636B2; KR0169974B1; AU6200290A; NL8902250A; CA2024524A1; US5366719A; JPH03165831A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor für die Ausführung einer chemischen Reaktion bei Vorliegen eines heterogenen Katalysators, bei dem eine Beschickungscharge den katalytischen Reaktor durchläuft. Insbesondere wird der Reaktor für eine chemische Reaktion verwendet, die sehr exotherm oder sehr endotherm ist.
Bei den meisten derzeitigen katalytischen Reaktoren wird ein festes Katalysatorbett verwendet. In ein solches Katalysatorbett sind poröse Körper geschüttet oder gestapelt.
Um einen unerwünscht hohen Druckabfall über das Katalysatorbett zu vermeiden, haben die verwendeten Körper oder Teilchen vorzugsweise einer Größe von mindestens 0,3 mm. Diese Mindestgröße der Katalysatorkörper ist erforderlich, um den Druckabfall, der auftritt, wenn ein Strom von Reaktionsmitteln sich durch das Katalysatorbett bewegt, innerhalb technisch akzeptabler Grenzen zu halten. Zusätzlich zu einer unteren Abmessung, die durch den zulässigen Druckabfall diktiert wird, erlegt die geforderte Aktivität des Katalysators auch eine obere Grenze für die Abmessungen der katalytisch aktiven Teilchen auf. Die hohe Aktivität, die für eine Anzahl von technischen Katalysatortypen erforderlich ist, kann meistens nur bei einem Bereich der aktiven Phase von 25 bis 500 m² pro ml erreicht werden. Oberflächen einer solchen Größenordnung sind nur mit sehr kleinen Teilchen möglich, z.B. mit Teilchen einer Größe von 0,05 Mikron.
Da eine flüssige oder eine Gasmischung nicht durch Partikel solcher Abmessungen strömen kann, müssen die winzig kleinen Primärteilchen in sehr porösen Körpern gebildet werden, die Maße von mindestens etwa 0,3 mm aufweisen und die eine große katalytische Oberfläche haben. Ein wichtiger Zweck bei der Herstellung von technischen Katalysatoren ist es, die erforderliche hohe Porösität mit einer ausreichend hohen mechanischen Festigkeit zu kombinieren. Die Katalysatorkörper dürfen beim Einfüllen des Reaktors und wenn sie plötzlichen Temperaturdifferenzen ausgesetzt werden ("thermaler Schock") nicht zersetzt werden.
Unter den Bedingungen der thermalen Vorbehandlung und/ oder der auszuführenden katalytischen Reaktion sintern fast alle katalytisch aktiven Materialien zu großen Konglomeraten mit einer vernachlässigbar kleinen aktiven Fläche zusammen. Allgemein gesagt wird daher die aktive Komponente (in fein verteilter Form) auf einen sogenannten Träger aufgebracht. Dieser Träger besitzt die erforderliche thermale Stabilität und sintert, wenn überhaupt, bei hohen Temperaturen kaum. Die am häufigsten verwendeten Trräger sind Siliziumdioxid, Aluminiumoxid oder Aktivkohle.
Die meisten technischen Reaktionen sind durch eine mehr oder weniger positive oder negative Wärmewirkung gekennzeichnet. Damit diese chemischen Reaktionen in der gewünschten Art und Weise ablaufen, ist eine wirksame Zu- oder Abführung der Reaktionswärme unerläßlich. Somit wird bei einigen exothermischen Reaktionen das thermodynamische Gleichgewicht in einer unerwünschten Richtung verschoben, wenn sich die Temperatur erhöht. Beispiele dafür sind die Synthese von Ammoniak und Methanol, die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid bei der Herstellung von Schwefelsäure, die Reaktion von Schwefeldioxid mit Hydrogensulfid beim Klaus-Prozeß, die selektive Oxidation von H&sub2;S zu S und die Reaktion von Kohlenmonoxid mit Wasserstoff, um Methan zu bilden. Da die Wärmeenergie erzeugt wird, während diese Reaktionen ablaufen, steigt die Temperatur der Reaktionsmischung an und das thermodynamische Gleichgewicht wird in ungünstiger Weise verschoben, wenn die erzeugte Reaktionswärme nicht schnell und wirksam vom Reaktor entfernt wird.
Bei endothermischen Reaktionen kann ebenfalls eine Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichtes in eine unerwünschte Richtung vorhanden sein, hier jedoch durch das Absorbieren von Wärmeenergie. Beispiele sind das Reforming-Verfahren für Methan- Dampf und die Dehydrierung von Äthylbenzol zu Styren. Weiterhin wird die Reaktionsgeschwindigkeit so gering, daß die gewünschte Reaktion nicht mehr abgeschlossen werden kann.
Zusätzlich zu einer Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichtes in eine unerwünschte Richtung, kann eine Temperaturveränderung die Selektivität der katalytischen Reaktionen negativ beeinflussen.
Beispiele von Reaktionen, bei denen die Temperatur die Selektivität beeinträchtigt, sind die Erzeugung von Äthylenoxid aus Äthylen (die unerwünschte Reaktion ist die Bildung von Wasser und Kohlendioxid), die selektive Oxidation von Hydrogensulfid zu elementarem Schwefel (die unerwünschte Reaktion ist die Bildung von SO&sub2;) und die Fischer-Tropsch-Synthese. In allen Fällen steigt die Temperatur im Ergebnis der Erzeugung von Reaktionswärme. Wenn der Temperaturanstieg nicht durch schnelle Beseitigung der Reaktionswärme verhindert wird, verringert sich die Selektivität wesentlich.
Obwohl, wie das vorher angeführte Beispiel zeigt, eine dringende Notwendigkeit zur Zuführung oder Abführung der Wärmeenergie bei katalytischen Reaktoren vorhanden ist, hat ein Feststoff-Katalysatorbett eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Gemäß dem derzeitigen Stand der Technik ist es im Grunde genommen nicht möglich, in wirksamer Weise, Wärmeenergie einem Feststoff-Katalysatorbett zuzuführen oder von ihm abzuführen. Das ergibt sich aus der Art und Weise, in der technische Reaktionen in Feststoff-Katalysatorbetten ablaufen.
Es ist möglich, daß bei einer exothermen Reaktion ein Temperaturanstieg nur zu einer Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichtes in eine unerwünschte Richtung führt, ohne daß eine nicht zu akzeptierende Verringerung der Selektivität auftritt. In diesem Falle ist es zulässig, daß die Reaktion adiabatisch in einem Feststoff-Katalysatorbett abläuft. Natürlich ist das nur bei exothermen Reaktionen möglich. Nach dem Passieren des Reaktors wird der Strom der Reaktionsmittel in einem gesonderten Wärmeaustauscher abgekühlt. Da die Umwandlung der Reaktionsmittel auf Grund des Temperaturanstieges im Reaktor thermodynamisch begrenzt ist, müssen die Reaktionsmittel nach dem Abkühlen noch einmal zum Reagieren gebracht werden. Das Reaktionsprodukt kann separiert und die Reaktionsmittel können über das Feststoff-Katalysatorbett in den Kreislauf zurückgeführt werden. Das erfolgt z.B. bei der Ammoniaksynthese und bei der Methanolsynthese. Wenn das Reaktionsprodukt nicht so einfach separiert werden kann, sollte hinter dem Wärmeaustauscher ein zweiter Feststoffbett-Katalysator mit einem Wärmeaustauscher angeordnet sein. Das ist z.B. bei der Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltriodxid der Fall. Manchmal ist sogar ein dritter Reaktor mit Wärmeaustauscher erforderlich, um die Emission von schädlichen Verbindungen zu verhindern. Wenn eine Hintereinanderschaltung von mehreren Reaktoren und Wärmeaustauschern nicht so gut möglich ist und das Separieren des Reaktionsproduktes ebenfalls nicht, wird das Reaktionsprodukt manchmal über das Katalysatorbett dem Zyklus wieder zugeführt. In diesem Falle werden dem zirkulierendem Reaktionsprodukt pro Durchgang durch den Reaktor so wenig Reaktionsmittel zugefügt, daß diese vollständig umgewandelt werden. Da der Temperaturanstieg dann gut gesteuert werden muß, kann nur eine geringe Menge pro Reaktordurchgang umgewandelt werden. In Fällen, in denen die Reaktion bei sehr stark erhöhtem Druck durchgeführt werden muß, sind die Probleme mit der Zuführung und Abführung der Reaktionswärme sogar noch größer. Bei der Ammoniak- und Methanol-Synthese wird ein Katalysatorbett verwendet, in das Reaktionsmittel an verschiedenen Punkten bei einer relativ geringen Temperatur eingespritzt werden.
Ein Vorgang in einem Prozeß, bei dem Gasströme Hochdruckreaktoren in einer komplizierten Art und Weise passieren müssen, erfordern natürlich hohe Investitionen.
Es ist offensichtlich, daß keine der vorher behandelten technischen Lösungen attraktiv ist. Allgemein gesagt ist eine teure Ausrüstung erforderlich, wobei die Zurückführung in den Zyklus und die Separierung der in geringer Konzentration vorhandenen Reaktionsprodukte viel Energie erfordern. Das ist deswegen so, weil in den behandelten Fällen oft Wirbelschichtbetten verwendet werden. Bei einem Wirbelschichtbett ist der Transport der Wärmeenergie viel leichter. In einem Wirbelschichtbett muß der zu verwendende Katalysator harten Forderungen hinsichtlich der mechanischen Festigkeit und des Verschleißwiderstandes genügen, die durch keine Mittel bei jedem Katalysator zu erfüllen sind. Schließlich ist infolge des unvermeidlichen Verschleißes der Katalysatorverbrauch in einem Wirbelschichtbett relativ hoch. Es ist in vielen Fällen daher nicht möglich, ein Wirbelschichtbett zu verwenden.
Es gibt Fälle, in denen weder ein Wirbelschichtbett noch ein adiabatischer Reaktor verwendet werden kann. Das gilt insbesondere für sehr stark endotherme Reaktionen und für Reaktionen, bei denen die Selektivität unzulässig verringert wird, wenn die Temperatur ansteigt. Beispiele dafür sind der Methan-Dampf-Reforming-Prozeß und die selektive Oxidation von Äthylen zu Äthylenoxid. Bei der selektiven Oxidation von Äthylen kommt eine sehr große Wärmeaustauschfläche zur Anwendung, indem man einen Reaktor mit nicht weniger als 20000 langen Rohren verwendet. Beim Methan-Dampf-Reforming-Prozeß wird angestrebt, die Wärmezuführung durch Anpassung der Abmessungen und der Form der Katalysatorkörper zu optimieren. Im letzteren Falle muß ebenfalls eine große Anzahl von teuren Rohren im Reaktor verwendet werden.
In bestimmten Fällen kann die Reaktion mit einem Katalysator durchgeführt werden, der in einer Flüssigkeit mit einem geeigneten Siedepunkt schwebt. Die Reaktionswärme wird hier durch Verdampfung der Flüssigkeit zerstreut. Bei endothermen Reaktionen kann Wärmeenergie dem Reaktionssystem über die Flüssigkeitsphase zugeführt werden. Technisch ist jedoch die Durchführung der katalytischen Reaktion mit einem in einer Flüssigkeitsphase schwebenden Katalysator nur in einigen wenigen Fällen möglich.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, den Katalysator ausschließlich auf die Reaktorwand aufzubringen. Das ist z.B. bei der Durchführung der Fischer Tropsch Reaktion der Fall, bei der höhere Kohlenwasserstoffe aus einer Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid erzeugt werden. Der auf die Wand aufgebrachte Katalysator sichert einen guten Wärmeübergang vom Katalysator in die Umgebung. Ein Verfahren, das für das Aufbringen des Katalysators auf die Wand vorgeschlagen wird, ist das folgende. Der Katalysator wird als Raney-Metall, eine Legierung des aktiven Metalls und Aluminium, auf die Wand aufgebracht. Nach der Aufbringung wird der Katalysator durch Auflösen des Aluminiums mit Lauge aktiviert. Der größere Teil des Reaktorvolumens ist leer, so daß der Kontakt der Reaktionsmittel mit der katalytisch aktiven Oberfläche schlecht und die Umsetzung pro Durchgang durch den Reaktor stark begrenzt ist. Aus diesem Grunde müssen die Reaktionsmittel mehrmals den Reaktor durchlaufen.
In einer Anzahl von technisch wichtigen Fällen muß der Druckabfall während des Reaktionsmitteldurchganges durch das Katalysatorbett sehr gering sein. Das gilt zum Beispiel für Reaktoren, in denen Rauchgas von großen Anlagen gereinigt werden muß, wie z.B. bei der katalytischen Entfernung von Stickoxiden aus dem Rauchgas. Da ein Rauchgasstrom im allgemeinen ein Strom mit einer riesigen Quantität ist, erfordert ein richtiger Druckabfall eine große mechanische Energie. Das Gleiche gilt für die Reinigung von Automobilabgasen. In diesem Falle ist ebenfalls ein hoher Druckabfall unzulässig.
Gegenwärtig ist die einzige Möglichkeit der Erreichung eines annehmbaren Druckabfalls, ohne den Kontakt mit dem Katalysator ungebührend zu erhöhen, die Verwendung von Katalysatoren, die auf eine wabenförmige Unterlage aufgetragen werden. Zu diesem Zweck werden fast ausschließlich Keramikwaben verwendet, die manchmal als "Monolithen" bezeichnet werden, auf die das katalytisch aktive Material aufgetragen wird. Diese Keramikwaben sind jedoch sehr teuer und ihre Verwendung ist daher nicht sehr attraktiv.
Bei einer Reaktorvariante, bei der der Katalysator nur auf die Wand aufgebracht wird, werden Monolithen verwendet, die aus dünnen Metallblechen bestehen. Ein solcher Reaktor wird z.B. durch Aufwalzen einer Kombination von gesickten und flachen Metellblechen und nachfolgendes Befestigen durch Schweißen hergestellt. Die flachen Bleche können auch gestapelt werden, um ein System mit einer großen Anzahl von Kanälen zu bilden. Der Katalysator wird dann auf die Wand der so erzeugten Kanäle aufgebracht. Auch hier ist wiederum, bei einem normalen Durchsatz, die Umwandlung begrenzt, weil ein relativ großer Bruchteil der Reaktionsmittel den Katalysator ohne Reaktion durchläuft, oder weil die Reaktionsmittel eine relativ lange Verweilzeit im Reaktor brauchen, um eine ausreichend hohe Umwandlung zu erreichen.
Wie vorher festgestellt wurde, ist die Wärmeleitung in einem Feststoffkatalysatorbett schlecht. Das wurde der geringen Wärmeleitfähigkeit der hochporösen Träger zugeschrieben, die das katalytisch aktive Metall abstützen. Das ist der Grund, warum Kovalenko, O.N. u.a. in den Chemical Abstracts 97 (18) 151409u vorgeschlagen hat, die Wärmeleitung durch Erhöhung der Leitfähigkeit der Katalysatorkörper zu erhöhen. Nun hat Satterfield bereits beschrieben, daß die Wärmeleitfähigkeit eines Stapels von porösen Körpern nicht so sehr durch die Leitfähigkeit des Körpermaterials bestimmt wird, sondern durch die gegenseitigen Kontakte zwischen den Körpern (Satterfield, C.N., "Massenübertragung bei der heterogenen Katalyse", MIT Press, Cambridge, MA, USA (1970), S. 173). Messungen durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gezeigt, daß die Wärmeleitfähigkeit von Katalysatorkörpern tatsächlich den Wärmeübergang in einem Katalaysatorbett nicht wesentlich beeinträchtigt.
In WO-A 86/02016 wird ein Reaktor beschrieben, der ein einen Katalysator tragendes Reaktionsbett einschließt, welches aus gesinterten Metallteilchen besteht, die sich in einer Verbindung mit guter Wärmeleitung zur Reaktorwand befinden, wobei die Wand auf der Außenseite mit gesinterten Metallteilchen für die Ableitung der Reaktionswärme versehen ist. Darüberhinaus findet an der Außenseite des Reaktors ein Phasenwechsel statt. Es wurde ermittelt, daß ein solches Reaktorsystem in der Lage ist, große Wärmemengen abzuleiten, es hat jedoch den Nachteil, daß die effektive Einstellung und/oder Steuerung der Reaktion nicht möglich oder sehr schwierig ist. Das geht u.a. aus dem Beispiel hervor, das die katalytische Verbrennung eines brennbaren Gases mit einem Heizwert von 35530 kJ beschreibt. Die Verbrennung sollte bei einer Temperatur von 350ºC stattfinden. Da jedoch der Reaktor mit verdampfendem Wasser (Dampferzeugung) bei 110ºC gekühlt wird, wird der gesamte Reaktor auf 110ºC abgekühlt, so daß die Reaktion nicht weiter ablaufen kann.
Es ist daher ein Bedarf für einen Reaktor vorhanden, in dem eine chemische Reaktion, insbesondere eine Reaktion mit einer wesentlichen Wärmewirkung, in einer einfachen Weise durchgeführt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde ermittelt, daß Reaktionen des Typs, auf den Bezug genommen wurde, ausgezeichnet in einem katalytischen Reaktor stattfinden können, in dem das Reaktorbett aus elementaren Teilchen aus Metall besteht, die zusammen- und an eine Seite der Wand gesintert sind, wobei an der anderen Seite der Reaktorwand kein gesintertes Metall vorliegt. Wenn bei einem solchen Reaktor der Durchmesser des Reaktorbettes in Relation zu den Wärmewirkungen gewählt ist, die von Reaktion zu Reaktion unterschiedlich, jedoch bekannt und in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen berechenbar sind, können Reaktionen des Typs, auf den Bezug genommen wurde, in einer optimalen Weise ablaufen.
Die Erfindung basiert auf der Einsicht, daß für eine katalytische Reaktion, die unter Praxismaßstäben ablaufen soll, es erforderlich ist, daß die Reaktion in einem spezifischen Temperaturbereich abläuft. Wenn im Falle endothermer Reaktionen Wärme zugeführt werden muß und wenn im Falle exothermer Reaktionen Wärme abgeführt werden muß, wird die Temperatur über diesen Temperaturbereich ansteigen bzw. unter diesen Bereich abfallen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es jedoch, die optimale Temperatur durch Wahl des geeignetsten Reaktorsystems einzuhalten.
Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf einen katalytischen Reaktor, wie er in den Ansprüchen 1 bis 6 definiert ist sowie auf die Verwendung eines solchen Reaktors bei der Durchführung von chemischen Reaktionen entsprechend den Ansprüchen 7 bis 9.
Der maximale Abstand in Metern (xmax) irgendeines Punktes des Reaktorbettes zu einer nächsten wärmeliefernden und/oder wärmeabgebenden Wand wird durch die folgende Formel bestimmt:
In dieser Formel ist λ die effektive Wärmeleitungskoeffizient des gesinterten Metalls in W/mK. Die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung ist bei Katalysatorsystemen gemäß der Erfindung ein relativ wichtiger Faktor. Natürlich wird die Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems, d.h. von der Reaktorwand bis zum Bett, teilweise durch die Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials bestimmt. Vorzugsweise ist die Wärmeleitfähigkeit nicht kleiner als 10% der Wärmeleitfähigkeit des im Festzustand verwendeten Materials und vorzugsweise liegt dieser Wert zwischen 10 und 75%. Absolut ausgedrückt liegt die Wärmeleitfähigkeit zwischen 2 und 250 W/mk.
αi ist der Wärmeübertragungskoeffizient in W/m²/K auf der Reaktorseite der wärmeliefernden und/oder -abgebenden Reaktorwand und er ist &epsi; α, wobei &epsi; einen Wert zwischen 1,0 und 10 hat und den Anstieg der Wärmeübertragung durch das Sintern des Materials angibt. α ist der Wärmeübertragungskoeffizient vom Reaktorbett im nicht gesinterten Zustand zur wärmeliefernden und/oder -abgebenden Reaktorwand. Die Werte für λ, αi und α werden nach den Verfahren bestimmt, die von Powell, R. W. "Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit durch thermale Vergleichsmethoden", Wärmeleitfähigkeit, Bd. 2, Academic Press, 1969; von Carslaw, H.S., Jaeger, J.C; "Wärmeleitung in Feststoffen", Oxford, University Press, 2. Ausgabe, 1959 angegeben sind.
ΔTmax, gemessen über einen radialen Querschnitt durch das Reaktorbett, ist der absolute Wert der Temperaturdifferenz zwischen irgendeinem Punkt in diesem Querschnitt und der nächsten wärmeliefernden und/oder -abgebenden Reaktorwand. Der maximal zulässige Wert dieser Differenz liegt zwischen 1 und 1000 K, je nach Typ der Reaktion und des Reaktormaterials. Der Wert für ΔTmax wird durch die Werte für eine minimale Temperatur Tmin und einen maximalen Wert Tmax bestimmt, die von äußeren Faktoren abhängen. Die Basis eines Tmax und eines Tmin kann in weiten Grenzen variieren. Sie kann eine maximale oder minimale Temperatur zur Verhütung von Nebenreaktionen und/oder nachfolgenden Reaktionen sein, zum Einfrieren des Gleichgewichtes bestimmt sein, oder sie kann auch dazu dienen, eine Reaktionsgeschwindigkeit herabzusetzen, einen unzulässig hohen Druckabfall herabzusetzen, die Stabilität herbeizuführen, einen ausreichend hohen Anstieg der Temperatur im Reaktor, die sich aus den Anforderungen der nachfolgenden Einheitsoperation ergibt, zu sichern, sie kann sich aus Materialeinschränkungen, aus der Kondensation der Zuführungsmaterialien oder von Reaktionsprodukten usw. ergeben.
a ist ein Formfaktor, der nur von der geometrischen Form des Reaktors bestimmt wird. Für ein Rohr und eine Platte beträgt er 0,25 bzw. 0,5. Im Allgemeinen liegt er zwischen diesen beiden Werten.
a' ist ein Formfaktor, der das Verhältnis zwischen der Fläche des Reaktorquerschnittes und des wärmeaustauschenden Umfanges dieses Reaktorquerschnittes multipliziert mit xmax. Daher ist a' nur von der Reaktorgeometrie abhängig. Für ein Rohr ist a' 0,5 und für eine Platte 1. In Tabelle 1 sind die Werte für a und a' für eine Anzahl von Reaktorgeometrien aufgeführt. Tabelle 1 Reaktorform Rohr Quadrat Rechteck 2x1 Rechteck 4x1 Rechteck 8x1 Rechteck 16x1 Platte
q bedeutet in dieser Formel die maximale Reaktionswärme in W/m³, die in dem Reaktorbett erzeugt wird und die durch die Wand in radialer Richtung geliefert und/oder abgegeben werden muß. Der Wert von q hängt unter anderem von der Katalysatoraktivität, von der Ladungsdichte des Katalysators, von der Geometrie des Katalysators und von der Gaszusammensetzung ab. Für eine gegebene Reaktion oder unter gegebenen Reaktionsbedingungen kann q in einer einfachen Weise bestimmt werden.
Wenn es gewünscht wird, xmax in Bezug auf die Wärme zu bestimmen, die in radialer Richtung pro m² Reaktorwand transportiert wird, kann die Beziehung folgendermaßen geschrieben werden:
Darin haben a, a', λ, ΔTmax und αi die bereits angeführten Bedeutungen und Q ist die Wärme, die in radialer Richtung pro m² Reaktorwand transportiert wird. Die Größe von Q hängt von der Wärme q ab die pro Volumeneinheit produziert oder erforderlich ist und die in radialer Richtung abgegeben oder zugeführt wird sowie von der Wärmeaustauschfläche.
Q kann einfach durch Ermittlung des Wärmeflusses durch die Reaktoraußenseite bestimmt werden. Diese Wärme muß an der Außenseite des Reaktors abgegeben oder zugeführt werden. Das kann in Abhängigkeit von dem durch die Reaktion und/oder durch äußere Faktoren bestimmten Temperaturbereich erfolgen z.B. mit Gasen und Flüssigkeiten, möglicherweise in einem Wirbelbett, durch Strahlung durch Infrarotstrahler und/oder offene Flammen, durch Wärmeleitung durch Festkörper usw.
Im Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung können die Elementarkörper, die das Feststoffkatalysatorbett bilden, aus allen Materialsorten bestehen und sie können auf verschiedenen Wegen gebildet werden. Ein erster wichtiger Punkt ist, daß die Teilchen aneinander befestigt sein können, z.B. durch Sintern. Die Maße der Körper sind wichtig, insbeondere für eine Sache, nämlich für den Druckabfall über den Reaktor. Wenn die Körper zu klein sind, kann der Druckabfall zu hoch werden. Bestimmend für den Druckabfall über das Katalysatorbett ist die Porenstruktur des gesinterten Betts. Das bevorzugte Ausgangsprodukt sind daher Elementarkörper, deren größte Abmessung 0,3 mm beträgt.
Wenn es gewünscht wird, können kleinere Basisteilchen verwendet werden, die während des Sinterns verschmelzen, um größere Körper zu bilden, so daß noch ein annehmbarer Druckabfall erhalten wird. Die obere Grenze der Größe wird teilweise durch den Grad des Kontaktes zwischen Katalysator und Reaktionsmittel(n) bestimmt, wobei aber auch die Form der Körper eine Rolle spielen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Katalysatorbett aus mehr oder weniger isotropen Teilchen aufgebaut, spezifischer gesagt in einer ziemlich schmalen Teilchengrößenverteilung. Wenn solche Elementarteilchen verwendet werden, wird ein Katalysatorsystem mit sehr guten Eigenschaften erhalten.
Das Material, aus dem die Elementarteilchen bestehen, ist Metall. Metall oder Metallegierungen werden insbesondere verwendet, weil Elementarteilchen, die aus diesen Materialien bestehen, relativ leicht miteiander und mit der Reaktorwand durch Sintern verbunden werden können. Das Metall oder die Metallegierung können katalytisch aktiv sein oder durch eine Behandlung katalytisch aktiv gemacht sein, aber es kann auch ein katalytisch aktives Material darauf aufgetragen sein.
Genauer gesagt, es ist möglich zuerst eine katalytisch aktive Komponente auf einen (sehr) porösen Träger aufzubringen und den so beladenen Träger an der Oberfläche des Metalls oder der Metallegierung zu befestigen. Das letztere kann von Bedeutung sein, wenn die katalytisch aktive Komponente nicht in direkten Kontakt mit dem Material der gesinterten Körper kommen darf, um eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen dem Material der Körper und der katalytisch aktiven Komponente zu verhindern.
Geeignete Metalle für die Verwendung in Elementarteilchen sind unter anderen Nickel, Eisen, Chrom, Mangan, Vanadium, Kobalt, Kupfer, Titan, Zirkonium, Hafnium, Zinn, Antimon, Silber, Gold, Platin, Paladium, Wolfram, Tantal sowie die seltenen Erden und Aktiniden. Die Elementarteilchen können aus im wesentlichen reinen Metall oder aus einer Legierung von zwei oder mehr Metallen bestehen, wobei die Legierung nichtmetallische Komponenten, wie z.B. Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel, Silizium u.ä. enthalten können.
Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung bestehen die Elementarteilchen aus Fasern von Filamenten, vorzugsweise mit einem Durchmesser von nicht mehr als 0,5 mm und noch bevorzugter von 1 - 250 um. Die Materialien, aus denen die Teilchen hergestellt sind sind vorzugsweise Metalle oder Metallegierungen.
In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck "Reaktorwand" die physikalische Trennung zwischen dem Raum, in dem die Reaktion stattfindet, d.h. dem Reaktorbett, und dem Raum, in dem die Wärmezuführung und Wärmeabgabe erfolgt. Das kann natürlich die Außenwand des Katalysatorbetts sein, kann aber z.B. auch die Wände der Kanäle einschließen, durch die das Wärmeaustauschmedium hindurchströmen kann.
Die Wand kann aus den konventionellen Materialioen bestehen, die für diese Zwecke bekannt sind. Diese Wände können aus einer Einzelschicht bestehen, aber es kann auch mehr als eine Schicht zur Anwendung kommen. In diesem Zusammenhang kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Oberfläche, mit der die Elementarkörper fest verbunden werden müssen, die Haftung mit den Elementarkörpern erhöht. Ein Beispiel dafür ist die Verwendung einer Emaillebeschichtung bei keramischen Elementarkörpern.
Der Grad der Porösität des Feststoffkatalysatorbetts gemäß der Erfindung kann innernhalb weiter Grenzen variieren. Diese Porösität, d.h. der Teil des Betts, der nicht durch festverbundene Elementarpartikel belegt ist, beträgt allgemein zwischen 20 und 90% des Volumens. Der geeignetste Wert hängt von der gewünschten Oberfläche, vom gewünschten Druckabfall und von der gewünschten Geschwindigkeit der Wärmeübertragung im Bett ab. Die bevorzugten Werte für die Porösität liegen zwischen 40 und 85 Volumenprozent.
Die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung ist ein relativ wichtiger Faktor bei den Katalysatorsystemen gemäß der Erfindung. Natürlich wird die Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems, d.h. von der Reaktorwand bis zum Bett, teilweise durch die Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials bestimmt. Vorzugsweise ist die Wärmeleitfähigkeit nicht geringer als 10% der des verwendeten Materials im Festzustand. Vorzugsweise liegt dieser Wert zwischen 10 und 75%. In Absolutwerten liegt die Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise zwischen 0,2 und 300 W/m² K.
Die Wärmeleitfähigkeit hängt in hohem Maße von der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Elementarkörper ab. So hat z.B. stranggepreßtes Al&sub2;O&sub3; eine Wärmeleitfähigkeit von 0,32 W/mK, während ein gesinterter Körper aus 316L einen Wert von 3 - 12 W/mK aufweist. 316L-Pulver hat anderseits einen Wert von 0,55, während Festmaterial einen Wert von 20 W/mK aufweist. Festes Kupfer besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 398 W/mK. Alle diese Werte beziehen sich auf einen Zustand bei Raumtemperatur. Bei anderen Temperaturen verändert sich der Zahlenwert, aber die gegenseitigen Verhältnisse bleiben annähernd die gleichen.
Der katalytische Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Prinzip für jede chemische Reaktion anwendbar, ist jedoch besonders für solche Reaktionen geeignet, die eine starke Wärmewirkung besitzen, d.h. in hohem Maße endotherme oder exotherme Reaktionen oder für Reaktionen, bei denen die Selektivität in hohem Maße temperaturabhängig ist. Bei einer Reihe von technisch bedeutenden Fällen ist es wünschenswert, eine hohe oder eine sehr hohe Raumgeschwindigkeit zu verwenden, wodurch ein hoher Druckabfall über den Reaktor nicht als großer Nachteil angesehen werden kann. Bei den gegenwärtig verwendeten Feststoffbett-Reaktoren ist ein hoher Druckabfall bei damit zusammen auftretender hoher Raumgeschwindigkeit nicht möglich. Wenn der Druck am Reaktoreingang ansteigt, kann der Katalysator aus dem Reaktor herausgeblasen oder herausgewaschen werde, jenachdem ob die Reaktionsmittel gasförmig oder flüssig sind. Es ist auch möglich, daß bei einem vorgegebenen kritischen Wert des Druckes am Reaktoreingang ein "Kanalisierungseffekt" auftritt. In diesem Falle beginnen sich die Katalysatorenpartikel in einem bestimmten Teil des Reaktors zu bewegen. Es wurde dann ermittelt, daß die Reaktionsmittel fast ausschließlich durch den Teil des Katalysatorbetts strömen, das sich in Bewegung befindet. Weil beim Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung die Katalysatorenteilchen viel besser befestigt sind, gestattet ein solcher Reaktor die Verwendung einer viel höheren Geschwindigkeit der Reaktionsmittel (und demzufolge einen viel höheren Druckabfall über den Reaktor). Unter bestimmten Bedingungen kann das ein großer Vorteil sein. Ein anderer bedeutender Vorteil der Befestigung der Katalysatorkörper im Reaktor wird in dem Falle offensichtlich, wenn sich Staub auf dem Katalysatorbett abgelagert hat. Bei den gegenwärtigen Feststoffbett-Reaktoren ist dann das Katalysatorbett verstopft. Der Reaktor muß geöffnet und die Staubschicht entfernt werden. Bei den Reaktoren gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Hochdruck-Gasimpuls in eine Richtung entgegengesetzt der Strömungsrichtung der Reaktionsmittel geschickt werden. Dieser Druckimpuls bläst den Staub vom Katalysatorbett und somit kann ein Verstopfen verhindert werden, ohne den Reaktor zu öffnen. Das ist vom technischen Standpunkt aus gesehen sehr attraktiv. Bei Feststoffkatalysatoren gemäß dem Stand der Technik ist das nicht möglich. Die Katalysatorenkörper werden zusammen mit der Staubschicht aus dem Katalysator herausgeblasen.
Bei ungesintertem Material besitzt, auf Grund der Tatsache, daß die Form der Materialteilchen nicht mit der der Reaktorwand übereinstimmt, das Reaktorbett an der Wand eine hohe Porösität. Als eine Folge ist an dieser Stelle zu wenig Katalysatormaterie vorhanden und es wird viel weniger Ausgangsmnaterial zur Reaktion gebracht. Diese Wirkung wird noch weiter verstärkt, wenn die hohe Porösität geringe Druckverluste ergibt und das Ausgangsmaterial vornehmlich entlang der Wand fließt. Sintern verbessert jedoch die Verbindung mit der Wand und als Ergebnis liegt die Porösität in der Größenordnung des Bettmaterials, das an der Wand nicht vorhanden ist. Weiterhin wird dort, wo der Katalysator nach dem Füllen und Sintern des Reaktors aufgetragen wurde, der Katalysator auch an der Wand abgelagert. Das Ergebnis dieser Wirkungen ist, daß die Gleitströmung entlang der Wand viel geringer ist und die Gesamtlänge des Reaktors geringer sein kann. Somit bleibt der Druckabfall gering und es gibt eine Alternative für Wabenkonstruktionen.
Die Erfindung ist insbesondere für die Durchführung von in hohem Maße exothermen oder endothermen katalytischen Reaktionen geeignet. Als ein Beispiel für eine solche Reaktion wird die Oxidation von Methan beschrieben. Als ein Beispiel einer Reaktion, bei der die Selektivität in hohem Maße durch die Temperatur bestimmt wird, wird die selektive Oxidation von Hydrogensulfid gewählt. In diesem Falle ist das Abgeben der Wärmeenergie von großer Bedeutung, da über einer Temperatur von etwa 300ºC die Oxidation von Schwefeldampf zu unerwünschtem Schwefeldioxid vor sich geht. Die Verwendung eines katalytischen Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, das Gasströme mit einem Hydrogensulfidgehalt von z.B. 10 Volumenprozenten sehr wirksam gereinigt werden. Das Hydrogensulfid wird selektiv oxidiert, um elementaren Schwefel zu bilden, der durch Kondensation sehr einfach zu separieren ist. Da solche Mischungen nicht gut in einem Claus-Prozeß verarbeitet werden können, ist die Erfindung für diese Zwecke von besonders großer Bedeutung.
Wie bereits vorher festgestellt wurde, kann der katalytische Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung an sich katalytisch aktiv sein oder er kann durch eine Behandlung aktiviert werden. Es ist jedoch auch sehr gut möglich, ein katalytisch aktives Material auf die fest verbundenen Elementarkörper aufzubringen. Zu diesem Zweck wird zunächst eine Dispersion des katalytisch aktiven Materials vorbereitet, die, wenn es gewünscht wird auf einen Träger aufgebracht werden kann. Die Vorbereitung der Dispersion erfolgt in einer Flüssigkeit und nachfolgend wird diese Flüssigkeit in geeigneter Weise auf die fest verbundenen Elementarkörper gebracht. Das kann zum Beispiel durch Entleerung des Bettes, auf das das katalytisch aktive Material aufzutragen ist, und nachfolgendes Ansaugen der Dispersion in das Bett erfolgen, wodurch das Bett mit dem katalytisch aktiven Material imprägniert wird. Die Zusammensetzung der Dispersion und die Bedingungen für die Systembildung sind vorzugsweise so gewählt, daß die Viskosität der Imprägnierflüsssigkeit nach der Imprägnierung erhöht ist. Tatsache ist, daß auf diese Weise die Flüssigkeitsphase aus der Dispersion entfernt werden kann, ohne die Verteilung des katalytisch aktiven Materials wesentlich zu stören. Darüberhinaus wird auf diese Weise eine bessere Verteilung des katalytisch aktiven Materials über die fest verbundenen Elementarkörper erreicht. Eine Anzahl von Verfahren ist zur Erhöhung der Viskosität der Flüssigkeit denkbar. Ein erstes Verfahren ist die Kühlung der Flüssigkeit unter ihren Erstarrungspunkt, so daß die gesamte Masse fest wird. Bei Verwendung eines Vakuums kann das System gefriergetrocknet werden. Eine andere Möglichkeit, und zwar eine, die bevorzugt wird, besteht aus der Einbeziehung eines kleineren Anteils von Agar oder eines anderen Materials, das eine vergleichbare Aktivität aufweist, in die Dispersion, so daß die Dispersion bei einer erhöhten Temperatur in das System eingeführt und das System durch einfaches Abkühlen verfestigt werden kann. Nachfolgend kann die Flüssigkeit unter Vakuum oder in anderer Weise entfernt werden und das Agar wird bei erhöhter Temperatur durch Pyrolyse entfernt. Der geeignete Agaranteil wird hauptsächlich unter Berücksichtigung des Wunsches bestimmt, daß die Flüssigkeit in der Lage sein muß, ausreichend viskos zu werden, oder sogar fest. Geeignete Konzentrationen reichen von 0,05 bis 1,0 Gewichtsprozenten.
Der katalytische Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführung des katalytischen Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer wachsenden Vergrößerung von links nach rechts. In der linken Zeichnung ist das System als solches dargestellt mit den Reaktionsmitteln, die von unten in das System eintreten und den Produkten, die das System oben verlassen. Die erzeugte Wärme verläßt das System in Richtung der Pfeile, die links dargestellt sind und wird unter Verwendung eines Wärmeaustauschmediums, das nicht dargestellt ist, abgegeben.
Die mittlere Zeichnung ist eine Vergrößerung der vorher beschriebenen Zeichnung und zeigt im Detail ein Stück der Reaktorwand mit den fest verbundenen Elementarkörpern. In dieser Zeichnung ist 1 die Matrix der fest verbundenen Metallteilchen, 2 die Reaktorwand und 3 ein ergänzendes Wärmeaustauschmaterial.
Die rechte Zeichnung stellt eine noch stärkere Vergrößerung dar und zeigt die Lage der katalytisch aktiven Teilchen 4 auf dem Metall 1.
Fig. 2 zeigt in Form einer Skizze das Verfahren für das Aufbringen des katalytisch aktiven Materials auf die fest verbundenen Elementarkörper. In der Fig. bezeichnet 1 die fest verbundenen Elementarteilchen und 2 die Reaktorwand. Diese Wand bildet einen Teil des Reaktors, der oben und unten mit Stutzen für die Zuführung und Abführung der Materialien versehen ist. Diese Stutzen sind mit den Ventilen 7, 8 versehen. Der Reaktor ist von einem Mantel 9 für das Wärmeaustauschmedium. z.B. Wasser, umgeben. Der Mantel ist mit den Stutzen 10 und 11 versehen. Der Eingang 5 ist mit einem Behälter 12 für die Flüssigkeit versehen, die in das System eingeführt werden kann. Für die Einführung des katalytisch aktiven Materials in das System ist das Verfahren dann wie folgt.
Das Ventil 7 ist geschlossen und der Stutzen 6 ist an eine Vakuumpumpe angeschlossen, während das Ventil 8 offen ist. Im Behälter 12 ist eine Dispersion des katalytisch aktiven Materials enthalten, das in einer Flüssigkeit dem System zuzuführen ist. Sobald das Vakuum im Reaktor ausreichend ist, wird das Ventil 8 geschlossen. Durch Öffnen des Ventils 7 wird die Dispersion in das System gesaugt. Sobald ausreichend Dispersion im System ist, kann das Vakuum vollständig aufgehoben werden und der Behälter 12 wird entfernt. Das System wird über den Mantel abgekühlt, bis die Flüssigkeit ausreichend viskos oder verfestigt ist. Nachfolgend wird das ganze im Vakuum getrocknet.

Beispiel 1

Ausgehend von einer vorgegebenen Reaktion, bei der Wärme abgegeben oder zugeführt werden muß, umfaßt die Auslegung eines Reaktors die folgenden Schritte:
1. Bestimmung der Reaktion, des gewünschten Temperaturbereiches, des absoluten Druckes, der Eingangskonzentrationen, der erforderlichen Umwandlungen und der Menge des Ausgangsmaterials.
2. Bestimmung der kinetischen Daten des bei der in Frage kommenden Reaktion verwendeten Katalysators. Das kann entweder in einem Versuchsreaktor mit gesintertem Material, auf das der Katalysator abgelagert wurde, oder in einem Versuchsrekator mit gerade eben auf keramischen Material abgelagerten Katalysatoren, erfolgen. Im letzteren Falle ist eine Korrektur für die veränderte Katalysatorbeschickung durchzuführen.
Alles das führt zu einer Beziehung, die die Reaktionsgeschwindigkeit innerhalb der Temperaturbereiche und der partiellen Drücke der Reaktionsmittel beschreibt oder eine ausreichend genaue Annäherung ergibt. Allgemein ausgedrückt lautet diese Beziehung folgendermaßen:
Darin bedeuten
dPCi/dt ist die Veränderung der Komponente i des Reaktorbettes pro Zeiteinheit und pro Volumeneinheit.
τ ist der Kontaktzeitraum zwischen den Reaktionsmitteln und dem Katalysator.
T ist die Temperatur, bei der die Reaktion stattfindet.
PCi ist der partielle Druck der Komponente i.
P ist der Systemdruck.
n ist die Anzahl der Reaktionsmittel, die in die Reaktion einbezogen sind.
3. q ergibt sich dann aus dem Produkt von dPCi/dt und Δh, wobei Δh die Reaktionswärme ist, die pro umgewandelter Druckeinheit der Komponente Ci abgegeben wird.
4. Unter Berücksichtigung der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials und des Temperaturbereiches kann, in Verbindung mit der Korrosionsbeständigkeit, ein Material gewählt werden, aus dem der Reaktor bestehen soll.
5. Aus den Daten des Lieferers des gesinterten Materials kann eine Teilchengrröße- und eine Porengrößeverteilung gewählt werden. Diese wird mit dem zulässigen Druckabfall und der erforderlichen Verweilzeit im Reaktormaterial in Korrelation gebracht, um eine vorgegebene Umwandlung zu erreichen. Die Länge des Reaktors und die Durchschnittsgeschwindigkeit, bei der das Ausgangsmaterial durch den Reaktor fließt, werden gleichzeitig bestimmt. Sie werden von der Temperatur abhängen, die im allgemeinen nicht konstant ist, vom zulässigen Druckabfall und von der erforderlichen Verweilzeit. Dieser Schritt erfordert oft eine Integration über die Reaktorlänge, um eine genaue Bestimmung der Länge, der Geschwindigkeit des Ausgangsmaterials sowie der Teilchengröße- und Porengrrößeverteilung zu erreichen.
6. Der Durchmesser oder die Dicke eines Reaktorelementes (z.B. einer Platte oder eines Rohres) können nach der hierin angeführten Formel berechnet werden.
7. Die Kühl- oder Erhitzungseinrichtungen, die zu verwenden sind, müssen auf der Basis der Wärmemenge gewählt werden, die abgegeben oder zugeführt werden muß sowie auf der Basis des geforderten Temperaturbereiches.
8. Die Anzahl der Reaktorelemente kann aus der Menge des zu verarbeitenden Ausgangsmaterials und der Menge pro Reaktorelement bestimmt werden, die gemäß 6 berechnet werden kann.

Beispiel 2

20 g γ-Al&sub2;O&sub3; (Al 4172, 265 m²/g, Porenvolumen 1,14 ml/g) wurden in 750 ml entionisiertem Wasser von 30ºC suspendiert. Der pH-Wert wurde mittels konzentrierter HNO&sub3; auf 5 eingeregelt. 1,95 g EDTA (Äthylendiamintetraazetylsäure) wurden in 50 ml entionisiertem Wasser durch Eintropfen von konzentriertem Ammoniak in das Wasser aufgelöst, wobei darauf geachtet wurde, daß der pH-Wert nicht unter 4 betrug. 2,69 g La(NO&sub3;)&sub3;.6H&sub2;O (entsprechend einer Höchstbeschickung von 5 Gewichtsprozenten von La&sub2;O&sub3;) wurden in 5 ml entionisiertem Wasser aufgelöst und sorgfältig in die EDTA- Lösung eingetropft. Der pH-Wert wurde durch tropfenweise Zugabe von Verdünnungsammoniak zwischen 4 und 7 gehalten. Die Höchstlösung wurde in eine wässrige Suspension von γ-Al&sub2;O&sub3; gegossen. Der pH-Wert wurde durch tropfenweises Hinzusetzen von Verdünnungs-HNO&sub3; wierder auf 5 eingeregelt. Die Suspension wurde eine Stunde lang kräftig gerührt und der pH-Wert wurde durch Einspritzen von Verdünnungs-HNO&sub3; unter die Flüssigkeitsoberfläche konstant gehalten. Nach einer Stunde wurde die Suspension gefiltert und zweimal mit 25 ml entionisiertem Wasser gewaschen. Das Trägermaterial wurde dann 16 Stunden lang bei 60ºC getrocknet. Das getrocknete Trägermaterial wurde in der Luft bei einer Temperatur von 550ºC 5,5 Stunden lang kalziniert (geröstet), um den Lanthankomplex in die oxidische Form umzuwandeln.
Das Trägermaterial enthielt schließlich 3 Gewichtsprozente La&sub2;O&sub3;. 15 g dieses stabilisierten Trägers wurden in 750 ml entionisiertem Wasser von 30ºC suspendiert.
5,16 g Cu(NO&sub3;)&sub2;.3H&sub2;O wurden in 50 ml entionisiertem Wasser gelöst und der Suspension zugesetzt. Die Suspension wurde kräftig gerührt, während N&sub2; unter die Flüssigkeitsoberfläche insuffliert wurde. Mit konzentrierter HNO&sub3; wurde der pH-Wert auf 4 eingeregelt. Durch Einspritzen einer 0,5 M NaOH-Lösung (0,3 ml/min) unter die Flüssigkeitsoberfläche wurde der pH-Wert auf 12 erhöht. Nach 16 Stunden wurde der Katalysator gefiltert und zweimal mit 25 ml entionisiertem Wasser gewaschen. Der Katalysator wurde dann bei 60ºC 23 Stunden lang getrocknet.
Dieser Katalysator wurde nachfolgend gemahlen und mit einem Sieb mit einer Maschengröße von 25 um gesiebt. Das Pulver wurde in Wasser suspendiert, um eine Mischung von 10 Gewichtsprozenten zu bilden und der pH-Wert wurde auf 5 eingeregelt. Dann wurden 0,25 Gewichtsprozente Agar (pro Analyse) zur Mischung hinzugefügt. Sie wurde auf einem Wasserbad auf 90ºC erhitzt und dann über einen Zeitraum von mindestens 2 Minuten bei dieser Temperatur gehalten, damit sich das Agar vollständig auflösen konnte.
Danach wurde ein Stahlrohr, das einen porösen Metallkörper (316L) mit Poren einer Größe über 100 um in einem Wasserbad von mindestens 90ºC erhitzt.
Dieser poröse Metallkörper wurde vorher durch Sintern von Elementarteilchen, die im wesentlichen aus Metallpulver (316L) mit einer Teilchengröße von etwa 500 um bestanden, miteinander und mit der Wand erhalten. Während der Wärmebehandlung wurde das poröse Material auf 15 mm QS evakuiert. Danach wurde die vorher angeführten Mischung, die den Katalysator enthält, in noch warmen Zustand in das Rohr mit dem porösen Material eingeführt. Nachdem die Suspension in den porösen Körper geleitet wurde, wurde das ganze solange bei einer Temperatur von mindestens 90ºC gehalten, bis die Suspension unten am porösen Körper vorhanden war. Danach wurde der so imprägnierte Körper auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach folgte eine Wartezeit von zwei Stunden, um zu sichern, daß das Agar die Suspension geliert hatte. Danach wurde die gesamte Suspension, die sich nicht im Körper befand, entfernt und der Körper wurde über Nacht in einem Vakuum von wesentlich weniger als der Dampfdruck des Wassers bei Raumtemperatur (15 Torr) getrocknet. Um den Trocknungsprozeß zu beschleunigen, kann das im Vakuum unter dem Schmelzpunkt der solidifizierten Suspension (bis maximal 40ºC) erhitzt werden. Abschließend wurde das Agar durch Erhitzen des porösen Metallkörpers in Luft auf über 450ºC verbrannt.
Bei einem Durchsatz, der einen Druckabfall von 1 Atmosphäre ergab, wurden weniger als 1% des imprägnierten Katalysators ausgeblasen.
Messungen bei einer Raumgeschwindigkeit von 6000/h zeigten, daß die Aktivität des Katalysators für die Verbrennung von Naturgas im Ergebnis der hierin beschriebenen Imprägnierung sich kaum verringerte.

Beispiel 3

Selektive Oxidation von H&sub2;S zu elementarem Schwefel.
Für die Herstellung des Reaktors wurde ein Stahlrohr verwendet. In das Rohr wurden Metallteilchen einer Eisen-Chrom-Legierung eingeführt, wobei die Zusammensetzung 80% Eisen und 20% Chrom betrug. Die Metallteilchen hatten eine Größe von 900 bis 2000 um. Das Aluminiumpulver, das in das Rohr gefüllt wurde, wurde durch Schwingungen verdichtet und dann in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1200ºC 10 Stunden lang gesintert. Das ergab einen porösen Metallkörper, der fest im Rohr verankert war.
Der Reaktor wurde dann 16 Stunden lang auf 800ºC erhitzt, während Luft den Reaktor passierte. Im Ergebnis dieser Behandlung verschwand die Aktivität der Oberfläche für die Bildung von Schwefeldioxid.
Danach wurde in der in Beispiel 2 beschriebenen Weise die katalytisch aktive Komponente auf die vorbehandelte Legierung aufgetragen. Die aktive Komponente bestand aus α-Al&sub2;O&sub3;, auf die 5% Fe&sub2;O&sub3;/Cr&sub2;O&sub3; mit einem Fe/Cr-Verhältnis von 9/1 aufgetragen wurden. Der spezifische Bereich von α-Al&sub2;O&sub3; betrug 6,5 m² pro g. Diese aktive Komponente wurde in einem Verhältnis von 600 kg pro m³ Katalysatorbettvolumen eingebracht.
Wenn 16 m³/s eines Gases, das 5% H&sub2;S enthält, durch Reaktion mittels des vorher angeführten Katalysators, oxidiert werden, um das H&sub2;S in Schwefel umzuwandeln, kann das konventionelle System mit einem Reaktor der vorliegenden Erfindung verglichen werden.
Wenn beide Katalysatoren, d.h. ein konventioneller Katalysator mit ungesintertem Keramikmaterial und einer mit aufgetragenem gesintertem Metall (Aluminium) gemäß der vorliegenden Erfindung, in rohrförmige Reaktoren eingesetzt werden und die Reaktion bei 300ºC stattfindet, kann mit Hilfe der Daten von Tabelle 2, die auch die Ergebnisse auflistet, der Rohrdurchmesser berechnet werden. ΔTmax ist im Zusammenhang mit zwei unerwünschten Wirkungen auf 25ºC festgesetzt. Bei einer geringeren Temperatur ist die Gleichgewichtswandlung übermäßig gering. Bei höheren Temperaturen beginnt eine nachfolgende Reaktion, bei der S oxidiert wird und sich SO&sub2; bildet. Tabelle 2 Maßeinheit Konventionell Erfindungsgemäß
Der Durchmesser von 0,64 mm, der sich für den konventionellen Fall ergibt, ist so klein, daß ein Reaktor nicht auf diese Weise entworfen werden kann. Die einzige Alternative ist daher, freie adiabatische Reaktoren in Reihe zu schalten, wobei das Gas bei einer Temperatur von 200ºC eintritt und wobei, im Ergebnis der Reaktion, die Temperatur auf 300ºC ansteigt. Hinter jeden adiabatischen Reaktor muß ein Wärmeaustauscher geschaltet werden, in dem die Temperatur wieder auf 200ºC abgesenkt wird.

Beispiel 4

Ein konventioneller Reaktor für die Äthylenoxidation besteht aus 20000 Rohren mit einem Durchmesser von 0,02 m. Da das Gas mit einer hohen Geschwindigkeit (20 m/s) durch den Reaktor geblasen wird, wird der Wärmeübertragungskoeffizient hauptsächlich durch diese Geschwindigkeit bestimmt. Der Wert für αi kann dann mit 1000 W/m²K angenommen werden. λ wurde mit 0,39 W/mK angenommen.
Mit Hilfe der Formel, nach der xmax berechnet werden kann, kann so umgekehrt der Quotient ΔTmax/q 6,91x10&supmin;&sup5;, der aus der offenen Literatur nicht bekannt ist, berechnet werden.
Mit Hilfe der Werte für das gesinterte Metall, das aus Aluminium mit einem αi 500 W/m²K und λ 65 W/mK besteht, kann xmax für eine Reaktion gemäß der vorliegenden Erfindung mit 0,0567 m berechnet werden.
Der Durchmesser dieser Rohre sollte dann 11,3 cm betragen. Das bedeutet, daß anstelle von 20000 Rohren nur 630 erforderlich sind.

Claims

1. Katalytischer Reaktor, der ein festes Reaktorbett mit einem darauf vorliegenden katalytisch aktiven Material und wenigstens eine wärmeliefernde und -abgebende Reaktorwand aufweist, und in dem das Katalysatorbett aus elementaren Teilchen aus Metall besteht, die zusammen- und an eine Seite der Wand gesintert sind, wobei an der anderen Seite der Reaktorwand kein gesintertes Metall vorliegt, und in dem der maximale Abstand in Metern (xmax) irgendeines Punktes des Reaktorbetts zu einer nächsten wärmeliefernden und/oder -abgebenden Wand durch die folgende Formel bestimmt ist:

wobei

λ der effektive Wärmeleitungskoeffizient des gesinterten Metalls in W/mK ist und einen Wert zwischen 2 und 250 hat;

αi der Wärmeübertragungskoeffizient in W/m²/K auf der Reaktorseite der wärmeliefernden und/oder -abgebenden Reaktorwand ist und gleich &epsi; α ist, wobei &epsi; einen Wert zwischen 1,0 und 10 hat, und α der Wärmeübertragunskoeffizient vom Reaktorbett im nicht gesinterten Zustand ist;

ΔTmax, über einen radialen Querschnitt durch das Reaktorbett gemessen, der Absolutwert der Differenz in der Temperatur zwischen irgendeinem Punkt in diesem Querschnitt und der nächsten wärmeliefernden und/oder -abgebenden Reaktorwand ist, wobei der maximal zulässige Wert im Bereich zwischen 1 und 1000 K liegt;

a ein Formfaktor ist, der nur von der geometrischen Form des Reaktors bestimmt ist und einen Wert zwischen 0,25 bzw. 0,5 hat;

a' ein Formfaktor ist, der das Verhältnis zwischen der Fläche des Reaktorquerschnitts und des wärmeaustauschenden Umfangs dieses Reaktorquerschnitts multipliziert mit xmax repräsentiert und einen Wert zwischen 0,5 und 1 hat; und

q die maximale Reaktionswärme ist, in W/m³, die in dem Reaktorbett erzeugte wird und die durch die Wand in radialer Richtung geliefert und/oder abgegeben werden muß.

2. Katalytischer Reaktor nach Anspruch 1, in dem die maximale Entfernung in Metern (xmax) irgendeines Punktes des Reaktorbetts zu einer nächsten wärmeliefernden und/oder -abgebenden Wand durch die folgende Formel bestimmt ist:

wobei

λ, αi, ΔTmax, a und a' dieselbe Bedeutung wie in Anspruch 1 haben und

Q die pro m² Reaktorwand in radialer Richtung transportierte Wärme ist.

3. Reaktor nach den Ansprüchen 1 - 2, wobei die elementaren Teilchen im wesentlichen isotrop sind.

4. Reaktor nach den Ansprüchen 1 - 2, wobei die elementaren Teilchen aus Filamenten oder Fasern bestehen.

5. Reaktor nach den Ansprüchen 1 - 4, wobei das katalytisch aktive Material auf das feste Reaktorbett durch Auftragen einer Dispersion des katalytisch aktiven Materials in einer Flüssigkeit auf die fest verbundenen elementaren Körper aufgetragen worden ist und wobei anschließend die Viskosität der Dispersion erhöht wird.

6. Reaktor nach Anspruch 5, wobei eine Agar enthaltende Dispersion auf die fest verbundenen elementaren Körper bei einer erhöhten Temperatur aufgetragen und anschließend gekühlt wird.

7. Verwendung des Reaktors nach einem der Ansprüche 1 - 6 zum Durchführen einer chemischen Reaktion, die sehr exotherm oder sehr endotherm ist.

8. Verwendung, wie in Anspruch 7 beansprucht, wobei die chemische Reaktion eine katalytische Verbrennung, die Preparation von Ethylenoxid, eine NH&sub3;-Synthese oder eine selektive H&sub2;S- Oxidation ist.

9. Verwendung, wie in Anspruch 8 beansprucht, wobei eine Gasmischung, die mehr als 3 Volumen-% H&sub2;S enthält, einer selektiven H&sub2;S-Oxidation unterworfen wird, in der H&sub2;S im wesentlichen in Schwefel umgewandelt wird.