DE69107750T2

DE69107750T2 - System zur katalytischen Destillation.

Info

Publication number: DE69107750T2
Application number: DE69107750T
Authority: DE
Inventors: Lawrence A Smith
Original assignee: Chemical Res & Licensin
Current assignee: Chemical Res & Licensin
Priority date: 1990-09-19
Filing date: 1991-09-13
Publication date: 1995-06-29
Anticipated expiration: 2011-09-14
Also published as: EP0476938A1; US5262012A; JPH0731867A; CA2068406A1; DE69107750D1; CA2068406C; EP0476938B1; ES2068517T3; KR920006018A

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur gleichzeitigen Durchführung von Reaktionen und der Trennung von Reaktionspartnern und Produkten durch fraktionierte Destillation. Genauer betrifft die Erfindung ein katalytisches Destillationssystem, in welchem ein Katalysator in Teilchenform in einem Bett aus geometrischen geformten, hohlen Teilchen dispergiert ist bzw. von diesem getragen wird, wobei die Trägerteilchen Öffnungen durch die Oberfläche hindurch aufweisen.
Es sind ein neue Verfahren zur Durchführung katalytischer Reaktionen entwickelt worden, bei welchen die Komponenten des Reaktionsgemisches gleichzeitig mittels fraktionierter Destillation abgetrennt werden können. Dafür sind zahlreiche Systeme vorgeschlagen worden; ein auch im wirtschaftlichen Maßstab erfolgreiches System setzt den Katalysator als Struktur für die katalytische Destillation ein. Ein solches System ist verschiedentlich in den US-A-4 215 011, 4 232 177, 4 242 530, 4 250 052, 4 302 356, 4 307 254, 4 336 407, 4 439 350, 4 443 559 und 4 482 775 beschrieben worden, welche hiermit in ihrer Gesamtheit einbezogen werden.
Kurz gesagt umfaßt die darin beschriebene, in Handel erhältliche Struktur einen Tuchstreifen mit einer Anzahl entlang des Streifens verteilter Taschen, welche das Katalysatormaterial enthalten. Der Tuchstreifen mit den katalysatorgefüllten Taschen wird in Form einer Helix um ein Material zum Abstandhalten, wie ein gewirktes Drahtnetz aus rostfreiem Stahl, gewickelt und in Form von "Ballen" in eine Destillierkolonne gepackt. Darüber hinaus offenbaren die US-Patente 4 302 356, 4 443 559 und 4 250 052 eine Anzahl von Katalysatorstrukturen für diesen Zweck.
Ebenso ist angeregt worden, den Katalysator lose auf den Standarddestillationsböden zu plazieren, siehe z.B. US-A-4 215 011 sowie die GB-A-2 096 603 und 2 096 604. In der US-A-3 634 534 ist die Anordnung des Katalysators in den Rückflußrohren der Standarddestillierböden vorgeschlagen. Ebenso ist, wie in der US-A-4 471 154, die Verflüssigung des Katalysators auf den Destillierböden vorgeschlagen worden. Einige Nachteile solcher Flüssigbetten sind in der Chemiker Zeitung/Chemische Apparatur, Bd.90, Nr.13, July 1966, sowie in der US-A- 4 215 011 angemerkt worden. Sowohl Quang et al. in der US-A-4 847 430, als auch Nocca et al., in der US-A-4 847 431, offenbaren das Aufbringen von teilchenförmigem Katalysator auf alternierende Böden einer Destillierkolonne, wobei um die mit Katalysator beladenen Böden herum ein Gas- "bypass" vorhanden ist.
Die Verwendung von festen Glaskugeln in einem Festbett zum Dispergieren und als Träger für den Katalysator ist schon lange üblich, insbesondere in Pilotanlagen und Reaktoren im Labormaßstab. Vergleiche hierzu z.B. US-A-4 918 244, in der Glasperlen als Dispergiermittel und Träger in einer Destillierkolonne als Reaktor im Labormaßstab verwendet werden.
Weiterhin ist in der parallelen Europäischen Anmeldung Nr. EP 0 458 472 die Verwendung von mit teilchenförmigem Katalysator gefüllten Behältnissen vorgeschlagen worden. In diesem Fall trägt der Behälter den Katalysator und hält diesen getrennt, wahrend er gleichzeitig die Destillationsoberfläche für die Destillation zur Verfügung stellt.
Die im wirtschaftlichen Sinne bislang erfolgreichste Anordnung umfaßte die Anordnung des teilchenförmigen Katalysators in geschlossenen Taschen, welche entlang eines Gewebestreifens aus Glasfaser angeordnet sind, wie es in der US-A-4 215 011 beschrieben ist.
Die EP-A-0 448 884, die am 27.12.90 mit einer Priorität vom 30.3.90 angemeldet und am 2.10.91 veröffentlicht wurde, offenbart ein katalytisches Destillationssystem, welches hohle Vorrichtungen zum Stofftransfer, beispielsweise in Form von perforierten Kugeln oder in gestreckter, geometrischer Bauform umfaßt, wobei die Vorrichtungen von einem katalytischen Festbett mit festen katalytischen Teilchen umgeben sind.
Die bisherigen Versuche zur Überwindung der wesentlichen Probleme durch Verbesserungen bestanden darin, den Druckabfall über die Kolonne zu verringern sowie einen ausreichenden Kontakt zwischen den Reaktionspartnern und dem Katalysator bei gleichzeitiger Bereitstellung eines guten Kontaktes zwischen Dampf und Flüssigkeit zur fraktionellen Destillation bereitzustellen. Viele anwendbare Katalysatoren liegen in Form von feinteiligen Pulvern vor, was ihre direkte Verwendung als Destillationskomponenten ausschließt. Sogar größere, extrudierte Granulate eignen sich nicht gut als Destillationsaufbauten. Daher tendiert die vorherrschende Entwicklungsrichtung zum Einsatz von Tuchstreifen, Käfigstrukturen und Trägerböden. Obwohl größere Katalysatoraufbauten vorgeschlagen worden sind, begrenzen die Anforderungen in bezug auf Porosität bei vielen Materialien deren strukturelle Integrität. Viele Katalysatoren, welche ausschließlich auf der Aktivität der äußeren Oberfläche beruhen und welche die Festigkeit für größere Strukturen aufweisen könnten, sind lediglich für Reaktionen in der Gasphase, wie die Maleinsäureanhydrid-Produktion, geeignet.
Erfindungsgemäß wird ein katalytisches Destillationssystem für die gleichzeitige Durchführung von chemischen Reaktionen und einer fraktionierten Destillation der Produkte und der Reaktionspartner geschaffen, welches zwischen hohlen Abstandhalterelementen dispergierte Katalysatorteilchen umfaßt, wobei jedes der hohlen Abstandhalterelemente Öffnungen durch seine Oberfläche hindurch aufweist, welche im allgemeinen kleiner als die Katalysatorteilchen sind, und wobei die Teilchen Extrudate oder kugelförmige Perlen mit einem Durchmesser von 0,79 mm (1/32 inch) bis 12,7 mm (1/2 inch) darstellen.
Die kombinierten Volumina innerhalb der hohlen Abstandhalterelemente machen vorzugsweise 50 Prozent des Gesamtvolumens der Katalysatorteilchen und hohlen Abstandhalterelemente aus. Die Katalysatorkomponente kann zwischen 40 und 70 % des Gesamtvolumens des Systems einnehmen.
Die hohlen Abstandhalterelemente sind vorzugsweise geometrische Komponenten, die durch das Element oder im wesentlichen durch die gesamte Oberfläche desselben hindurchreichende Öffnungen aufweisen, wobei die hohlen Abstandhalterelemente vorzugsweise innig mit den Katalysatorteilchen vermischt sind.
Das erfindungsgemäße katalytische Destillationssystem ist ein Zweikomponentensystem. Die erste Komponente stellt einen Katalysator in Teilchenform dar, welcher für die Durchführung der gewünschten chemischen Reaktion geeignet ist. Die zweite Komponente ist ein Abstandhalterelement, welches im wesentlichen eine geometrische Hohlform darstellt, die Öffnungen zum Durchtritt von Gas und Flüssigkeit in der äußeren Oberfläche aufweist. Die beiden Komponenten werden gemischt, um den gewünschten offenen Raum zu schaffen, und dann in die Destillierkolonne gepackt. Die geometrischen Hohlformen sorgen für den Abstand, während die Öffnungen den Durchfluß von Gas und Flüssigkeit gestatten, wodurch der erforderliche Kontaktraum bzw. die Kontaktoberfläche zwischen Dampf und Flüssigkeit zur Verfügung gestellt werden.
Abbildung 1 ist eine Darstellung eines kugelförmigen, hohlen Abstandhalterelementes mit schlitzförmigen Öffnungen in der Oberfläche.
Abbildung 2 zeigt eine Darstellung eines kugelförmigen, hohlen Abstandhalterelementes mit kreisförmigen Öffnungen in der Oberfläche.
Abbildung 3 zeigt eine Darstellung eines zylinderförmigen, hohlen Abstandhalterelementes mit kreisförmigen Öffnungen in den Endflächen und spiralförmigen Schlitzen an den Seitenflächen.
Abbildung 4 zeigt eine Darstellung eines zylinderförmigen, hohlen Abstandhalterelementes mit kreisförmigen Öffnungen in den End- und Seitenoberflächen.
Abbildung 5 zeigt eine Darstellung eines zylinderförmigen, hohlen Abstandhalterelementes mit kreisförmigen Öffnungen in den Endflächen und longitudinalen Schlitzen an den Seitenflächen.
Abbildung 6 zeigt die Darstellung einer Ausführungsform gemäß Abb.1 oder 2, die in eine Destillierkolonne als Reaktor gepackt ist, wobei sie extrudierte Teilchen als Katalysator in dispergierter Form trägt.
Die Erfindung stellt ein katalytisches Destillationssystem zur Verfügung, in welchem der teilchenförmige Katalysator ohne die bislang benötigten Behältnisse verwendet werden kann. Um katalytische Funktionen zu erfüllen und die Destillation zu ermöglichen, sind drei sehr erwünschte Kriterien zu erfüllen. Erstens sollte das System so beschaffen sein, daß für eine relativ gleichmäßige räumliche Verteilung in der Destillierkolonne als Reaktor gesorgt ist. Das bedeutet, daß das Katalysatorsystem in der Kolonne in einer geometrischen Anordnung vorliegen muß, welche die gewünschten Funktionen im Hinblick auf Reaktions- und Destillationsstellen ausfüllt. Bei der Erzielung eines derartigen Systems ist die gleichmäßige Raumverteilung innerhalb der Säule maßgeblich.
Ein zweites Kriterium stellt das Vorhandensein eines ausreichenden Freiraums in dem Katalysatorbett dar, um den Kontakt in der Flüssigphase sowie die Gasphasendestillation mit der gleichzeitigen Trennung des Materials in der Kolonne mittels Destillation in Gas- und Flüssigkeitsphase zu gestatten. Dabei wurde beobachtet, daß ein Freiraum von 50 Vol.-% im Katalysatorbett für das Erreichen einer durchführbaren Fraktionierung angemessen ist.
Ein drittes Kriterium ist die Fähigkeit des Katalysatorbettes, sich während der Verwendung ohne ungebührlichen Verschleiß an Katalysatormaterial ausdehnen und zusammenziehen zu können.
Diese Kriterien werden in der Weise erfüllt, daß ein Abstandhalteraufbau zur Verfügung gestellt wird, welcher zum Dispergieren des und als Träger für den Katalysator benutzt werden kann. Um den notwendigen Freiraum zu schaffen, sind die Abstandhalteraufbauten hohl. Der von den Hohlstrukturen zur Verfügung gestellte Freiraum ist durch die Öffnungen in der Oberfläche zugänglich. Diese einzigartige Struktur unterscheidet sich von festen Trägerstrukturen wie Keramikkugeln oder Glasperlen dadurch, daß das Volumen innerhalb der Struktur für Gas und Flüssigkeit zugänglich ist.
Die genaue Größe und Form der Abstandhalterstrukturen kann aus allen denjenigen ausgewählt werden, die für das Packen geeignet sind oder die den notwendigen Zufallsfreiraum für das benötigte Volumen an teilchenförmigem Katalysator zur Verfügung stellen. Je nach Größe können die Abstandhalteraufbauten zuerst in die Destillierkolonne als Reaktor gepackt und dann der Katalysator zugefügt werden oder beide können vermischt und zusammen eingefüllt werden. Es wird jedoch angenommen, daß die Größe der Abstandhalterstrukturen wesentlich geringer ist als der Reaktor, in den sie gepackt werden, z.B. das 1x10&supmin;&sup7; bis 7x10&supmin;&sup5;fache des Volumens eines üblichen Reaktors, in den sie eingefüllt werden.
Ein bevorzugte Ausführungsform des Abstandhalterelementes ist kugelförmig, da das Packungsvolumen von Kugeln leichter vorhersagbar ist. In Abb.1 und Abb.2 sind zwei Versionen der kugelförmigen Ausführungsform dargestellt. In Abb.1 weist das kugelförmige Abstandhalterelement 10 schlitzförmige Öffnungen 15 in der Oberfläche auf. Gemäß Abb.2 stellen die Öffnungen kreisförmige Aussparungen 14 dar.
Die Abbildungen 3 - 5 zeigen alternative, zylinderförmige Abstandhalterelemente. Der einzige Unterschied zwischen den gezeigten Abstandhalterelementen ist die Ausformung der Öffnungen an den Enden 11 bzw. der seitlichen Zylinderwand.
Die Öffnungen sind in allen Ausführungsformen vorzugsweise kleiner als der teilchenförmige Katalysator, mit welchem das Abstandhalterelement verwendet wird, und zwar um das Eindringen des Katalysators und die Ausfüllung der Hohlräume zu verhindern. Eine praktische Grenze für die Größe der Öffnungen kann der durch das Eindringen von Dampf und Flüssigkeit in sowie deren Austreten aus den Hohlelementen verursachte Druckabfall darstellen. Der teilchenförmige Katalysator, mit dem zusammen die Abstandhalterelemente zum Aufbau des katalytischen Destillationssystemes eingesetzt werden, kann jede herkömmliche Größe oder Form aufweisen, solange die Teilchen nicht in den Freiraum in den Abstandhalterelementen eindringen und diesen ausfüllen. Höchst wahrscheinlich profitieren besonders extrudierte, teilcheniörmige Katalysatoren mit einem Durchmesser von 0,79 bis 12,7 mm (1/32 bis 1/2 inch), wie jeder Aluminium- oder auf Aluminium aufgebrachte Katalysator, von der Verwendung der Abstandhalterelemente. Abb.6 zeigt ein Gemisch aus kugelförmigen Abstandhalterelementen 10 und extrudiertem, teilchenförmigen Katalysator 20, das in einer Destillierkolonne als Reaktor 1 von einem Sieb 2 gehalten wird.
Die Größe der Abstandhalterelemente kann je nach Größe der Katalysatorteilchen größer, kleiner oder gleich dem teilchenförmigen Katalysator sein. Vorzugsweise ist das Material der Abstandhalterelemente inert; es sollte auch starre Eigenschaften besitzen, um die Integrität der Elemente während des Packens und im Verlauf des Betriebs zu erhalten. Darüber hinaus müssen die Konstruktionsmaterialien in der Lage sein, dem Milieu in einem Destillierkolonnenreaktor zu trotzen. Jede der verschiedenen Qualitäten von rostfreiem Stahl, Keramik, Glas oder auch einige der neueren zur verfügung stehenden Kunststoffmaterialien eignen sich je nach dem Einsatzzweck.
Vorzugsweise macht die katalytische Komponente 40 bis 70 % des Gesamtvolumens des Systems aus.

Claims

1. Katalytisches Destillationssystem zur gleichzeitigen Durchführung von chemischen Reaktionen und fraktionierten Destillationen von Produkten und Reaktionspartnern, welches zwischen hohlen Abstandhalterelementen dispergierte Katalysatorteilchen umfaßt, wobei jedes der hohlen Abstandhalterelemente Öffnungen durch seine Oberfläche hindurch aufweist, jene Öffnungen im allgemeinen kleiner als die Katalysatorteilchen sind und die Teilchen Extrudate oder kugelförmige Perlen mit einem Durchmesser von 0,79 mm (1/32 inch) bis 12,7 mm (1/2 inch) darstellen.

2. Katalytisches Destillationssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem die hohlen Abstandhalterelemente größer als die Teilchen sind.

3. Katalytisches Destillationssystem gemäß Anspruch 1, bei welchen die hohlen Abstandhalterelemente im wesentlichen dieselbe Größe wie die Teilchen aufweisen.

4. Katalytisches Destillationssystem gemäß Anspruch 1, bei welchem die hohlen Abstandhalterelemente kleiner als die Teilchen sind.

5. Katalytisches Destillationssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die hohlen Abstandhalterelemente Kugelform haben.

6. Katalytisches Destillationssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die hohlen Abstandhalterelemente in zylindrischer Form vorliegen.

7. Katalytisches Destillationssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die kombinierten Volumina in den hohlen Abstandhalterelementen 50 Prozent des Gesamtvolumens von Katalysatorteilchen und hohlen Abstandhalterelementen ausmacht.

8. Katalytisches Destillationssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Katalysatorkomponente 40 bis 70 % des Gesamtvolumens des Systems ausmacht.

9. Katalytisches Destillationssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die hohlen Abstandhalterelemente geometrische Komponenten mit im wesentlichen über ihre gesamte Oberfläche verteilten Öffnungen darstellen und bei welchem die hohlen Abstandhalterelemente innig mit den Katalysatorteilchen vermischt sind.