DE69704718T2

DE69704718T2 - Verfahren und reaktor für eine exothermische reaktion

Info

Publication number: DE69704718T2
Application number: DE69704718T
Authority: DE
Inventors: Arend Hoek; Gerardus Laurijssen; Maria Senden; Geert Van Der Honing
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1996-08-08
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 2001-09-20
Anticipated expiration: 2017-08-08
Also published as: WO1998006487A1; JP4100711B2; NO990556D0; NO318961B1; AU710780B2; DE69704718T3; DZ2288A1; SA97180494B1; EP0949961B2; CA2262599A1; EP0949961A1; NO990556L; MY116410A; CA2262599C; US6322755B1; DE69704718D1; ID17986A; JP2000516139A; EP0949961B1; AU4015297A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Durchführen einer exothermen Reaktion in Anwesenheit eines festen Katalysators in einem Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor. Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor zum Durchführen einer exothermen Reaktion.
Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktoren sind Fachleuten gut bekannt. Im Betrieb weist der genannte Reaktor eine Aufschlämmungszone und eine Freibordzone auf. Die Freibordzone liegt im Inneren des Reaktors über der Aufschlämmungszone. In der Aufschlämmungszone werden feste Katalysatorteilchen in Suspension in einer Flüssigkeit gehalten. Die Flüssigkeit dient als Wärmeübertragungsmedium. Die Mischung aus Katalysatorteilchen und Flüssigkeit wird häufig auch als Aufschlämmung bezeichnet. Ein oder mehrere gasförmige Reaktanten werden durch die Aufschlämmungszone hindurchgeleitet. Die über der Aufschlämmungszohe liegende Freibordzone enthält im wesentlichen keine Aufschlämmung und dient als Loslösungszone zwischen Aufschlämmung und gasförmigen Produkten und Reaktanten.
Die Katalysatorteilchen werden typischerweise durch Rühren oder Bewegen mit einer mechanischen Vorrichtung in Suspension gehalten, oder bevorzugt durch eine nach oben gerichtete Gas- und/oder Flüssigkeitsgeschwindigkeit.
Obwohl im wesentlichen alle Katalysatorteilchen in der Aufschlämmungszone vorhanden sind, entweicht ein Teil der Katalysatorteilchen aus der Auf schlämmungszone in die Freibordzone und kann an den Reaktorwänden oder -einbauten in der Freibordzone anhaften. In Abwesenheit eines flüssigen Wärmeübertragungsmediums, jedoch in Anwesenheit von unreagierten gasförmigen Reaktanten, katalysieren die genannten Katalysatorteilchen weiter hin die exotherme Reaktion. Auf diese Weise werden lokale Heißstellen erzeugt, die das Reaktorgefäß und/oder die Einbauten beschädigen können.
Demgemäß wäre es wünschenswert, Katalysatorteilchen wirksam aus der Freibordzone entfernen zu können.
Für die Zwecke dieser Beschreibung soll der Ausdruck "Katalysatorteilchen" als Bezugnahme auf Katalysatorteilchen an sich und/oder jegliche Feinteile derselben dienen.
Daher bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Durchführen einer exothermen Reaktion in Anwesenheit von festen Katalysatorteilchen in einem Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor mit einer Aufschlämmungszone und einer Freibordzone, in welcher Aufschlämmungszone die Katalysatorteilchen in Suspension in einer aufgeschlämmten Flüssigkeit gehalten werden und welche Freibordzone aus der Aufschlämmungszone entwichene Katalysatorteilchen enthält, und in welcher Freibordzone ein Flüssigkeitsrückfluß aufrechterhalten wird, um Katalysatorteilchen aus der Freibordzone zu entfernen. Bevorzugt werden die Katalysatorteilchen in der Freibordzone mit Hilfe des Flüssigkeitsrückflusses zur Aufschlämmungszone rezykliert.
Der Flüssigkeitsrückfluß kann durch Sprühen von Flüssigkeit in die Freibordzone von einer externen Quelle her erzeugt und aufrechterhalten werden.
Der Flüssigkeitsrückfluß ist typischerweise inert, d. h. der Flüssigkeitsrückfluß ist kein Reaktant für die exotherme Reaktion und reagiert im wesentlichen nicht mit anderen Produkten im Verfahren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Flüssigkeitsrückfluß aus der externen Quelle ein Teil der Aufschlämmungsflüssigkeit, welcher aus der Aufschlämmungszone abgezogen wird. Im Anschluß an die Abtrennung der genannten Flüssigkeit von den festen Partikeln mit Mitteln, die Fachleuten bekannt sind, wird ein Teil der genannten Flüssigkeit in die Freibordzone eingebracht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der Erfindung erzeugt die exotherme Reaktion zumindest einige gasförmige Produkte, welche gasförmigen Produkte in der Lage sind, zumindest teilweise bei einer Temperatur zwischen der Reaktionstemperatur im oberen Teil der Aufschlämmungszone und 50ºC unterhalb der genannten Reaktionstemperatur zu kondensieren, und der Flüssigkeitsrückfluß wird erzeugt und aufrechterhalten, indem zumindest teilweise das gasförmige Produkt in der Freibordzone kondensiert wird.
Optional wird eine Kombination der oben genannten Verfahren angewandt, um den Flüssigkeitsrückfluß aufrechtzuerhalten.
Die gasförmigen Produkte können zumindest teilweise mit teln kondensiert werden, die Fachleuten bekannt sind. Somit werden in einer Aus führungs form die gasförmigen Produkte zumindest teilweise durch externes Kühlen der die Freibordzone umgebenden Wand kondensiert, typischerweise der Reaktorwand.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form werden die gasförmigen Produkte zumindest teilweise durch Zulassen eines größeren Leckens von Wärme aus der Freibordzone des Reaktors zur Atmosphäre hin als aus der Aufschlämmungszone kondensiert. Dies kann geeigneterweise durch eine geringere thermische Isolierung der die Freibordzone umgebenden Reaktorwand im Vergleich zu der die Aufschlämmungszone umgebenden Reaktorwand erreicht werden.
Gemäß noch einer weiterer Ausführungsform werden die gasförmigen Produkte zumindest teilweise durch Kühlmittel in der Freibordzone kondensiert. Eine Vielzahl bekannter Kühlmittel kann verwendet werden, einschließlich indirekter Kühlmittel, wie Kühlspulen.
Ein Nachteil indirekter Kühlmittel, wie Kühlspulen, in der Freibordzone ist jedoch, daß auf diese Weise das Volumen der Freibordzone, welches von Einbauten besetzt ist, verhältnismäßig groß ist. Somit ist die Chance, daß ein aus der Auf schlämmungszone entweichendes Katalysatorteilchen an Einbauten in der Freibordzone anhaftet, ebenso hoch. Es versteht sich, daß gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Volumen der Freibordzone, das von Einbauten eingenommen wird, minimiert ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Kühlen der Freibordzone durch Einsprühen eines verhältnismäßig kalten Gases erreicht, typischerweise eines inerten Gases. Noch stärker bevorzugt wird das Kühlen durch Einsprühen einer Flüssigkeit erreicht, die unter den in der Freibordzone herrschenden Bedingungen verdampft. Somit umfassen bei dieser Ausführungsform die Kühlmittel in der Freibordzone typischerweise Gas- oder Flüssigkeitseinsprühmittel.
Die Kühlmittel in der Freibordzone sind bevorzugt unabhängig von den in der Aufschlämmungszone vorhandenen Kühlmitteln steuerbar.
Die Aufschlämmungszone kann durch direkte oder indirekte Kühlmittel gekühlt werden. Für die Zwecke dieser Beschreibung bezieht sich der Ausdruck "direkte Kühlmittel" auf solche Mittel, bei denen das Kühlmedium in direktem Kontakt mit der Aufschlämmung in der Aufschlämmungszone ist. "Indirekte Kühlmittel" bezieht sich solche Mittel, bei denen das Kühlmedium nicht in direktem Kontakt mit der Auf Schlämmung in der Aufschlämmungszone ist. Ein Beispiel für letztere ist eine Anordnung die Kühlrohren, die in der Auf Schlämmung eintauchen. Bevorzugt wird die Aufschlämmungszone durch indirekte Kühlmittel gekühlt.
Es versteht sich, daß zur Minimierung des Volumens der in der Freibordzone vorhandenen Einbauten bevorzugt jegliche indirekte Kühlmittel, die zum Kühlen der Aufschlämmungszone verwendet werden (im weiteren als "indirekte Aufschlämmungskühlmittel" bezeichnet), sich im wesentlichen nicht in die Freibordzone hineinerstrecken.
Bevorzugt wird die mittlere Temperatur in der Freibordzone auf eine Temperatur herabgesetzt, die bis zu 50ºC geringer ist als die Temperatur im oberen Bereich der Aufschlämmungszone. Die Temperatur im oberen Bereich der Aufschlämmungszone ist typischerweise die mittlere Temperatur, die bei etwa 5 bis 15 cm unterhalb der Schnittstelle zwischen Aufschlämmungszone und Freibordzone herrscht. Noch stärker bevorzugt beträgt die Herabsetzung bis zu 30ºC.
Die Temperatur in der Freibordzone wird bevorzugt um zumindest 5ºC herabgesetzt, noch stärker bevorzugt um zumindest 10ºC, und zwar relativ zu der Temperatur im oberen Bereich der Aufschlämmungszone.
Für den Fachmann ist jedoch klar, daß die gewünschte Temperaturreduktion von einer Vielzahl von Faktoren abhängt, wie der Menge an kondensierendem Produkt bei einer bestimmten Temperatur; der Menge an Katalysatorteilchen oder Feinteilen davon, die in der Freibordzone vorhanden ist; der Komplexität der Einbauten und des von Einbauten dieses eingenommenen Volumens in der Freibordzone; und der mittleren Teilchengröße der Katalysatorteilchen oder Feinteile, die in der Freibordzone vorhanden sind. Somit versteht es sich, daß es manchmal bevorzugt sein kann, die Temperatur um mehr oder weniger als die oben angegebenen Bereiche herabzusetzen.
Die durchschnittliche Teilchengröße der Katalysatorteilchen kann in breiten Grenzen variieren, unabhängig unter anderem von der Art der Aufschlämmungszonenbedingungen. Typischerweise kann die durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 1 um bis zu 2 mm liegen, bevorzugt von 1 um bis 1 mm.
Wenn die durchschnittliche Teilchengröße größer als 100 um ist und die Teilchen nicht mittels einer mechanischen Vorrichtung in Suspension gehalten werden, werden die Aufschlämmungszonenbedingungen häufig als Siedebettbedingungen bezeichnet. Bevorzugt ist die durchschnittliche Teilchengröße bei Siedebettbedingungen kleiner als 600 um, noch stärker bevorzugt im Bereich von 100 bis 400 um. Es versteht sich, daß im allgemeinen, je größer die Teilchengröße eines Teilchen ist, desto kleiner die Chance ist, daß dieses Teilchen aus der Aufschlämmungszone in die Freibordzone entweicht. Somit werden, wenn Siedebettbedingungen angewendet werden, hauptsächlich Feinteile von Katalysatorteilchen in die Freibordzone entweichen.
Wenn die durchschnittliche Teilchengröße höchstens 100 um ist und die Teilchen nicht durch eine mechanische Vorrichtung in Suspension gehalten werden, werden die Aufschlämmungszonenbedingungen häufig als Aufschlämmungsphasenbedingungen bezeichnet. Bevorzugt liegt die durchschnittliche Teilchengröße bei Aufschlämmungsphasenbedingungen über 5 um, stärker bevorzugt im Bereich von 10 bis 75 um.
Wenn die Teilchen durch eine mechanische Vorrichtung in Suspension gehalten werden, werden die Aufschlämmungszonenbedingungen häufig als Rührtankbedingungen bezeichnet. Es versteht sich, daß im Prinzip jede durchschnittliche Teilchengröße innerhalb der oben genannten Bereiche angewendet werden kann.
Bevorzugt wird die durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 1 bis 200 um gehalten.
Die Konzentration der in der Aufschlämmung vorhandenen Katalysatorteilchen kann im Bereich von 5 bis 45 Vol.-% liegen, bevorzugt zwischen 10 und 35 Vol.-%. Es kann wünschenswert sein, zusätzlich weitere Teilchen der Aufschlämmung hinzuzufügen, wie beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 0 450 859 angegeben ist. Die gesamte Konzentration von festen Teilchen in der Aufschlämmung ist typischerweise nicht mehr als 50 Vol.-%, bevorzugt nicht mehr als 45 Vol.-%.
Geeignete Aufschlämmungsflüssigkeiten sind Fachleuten gut bekannt. Typischerweise ist zumindest ein Teil der Auf schlämmungsflüssigkeit ein Reaktionsprodukt der exothermen Reaktion. Bevorzugt ist die Aufschlämmungsflüssigkeit im wesentlichen zur Gänze ein Reaktionsprodukt.
Die exotherme Reaktion ist eine Reaktion, welche in Anwesenheit eines festen Katalysators ausgeführt wird, und die in einem Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor durchgeführt werden kann. Typischerweise ist zumindest einer der Reaktanten der exothermen Reaktion gasförmig. Beispiele von exothermen Reaktionen umfassen Hydrierungsreaktionen, Hydroformylierungen, Alkanolsynthesen, die Herstellung von aromatischen Urethanen unter Verwendung von Kohlenmonoxid, Kölbel-Engelhardt-Synthesen, Polyolefinsynthesen und Fischer-Tropsch-Synthesen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die exotherme Reaktion eine Fischer-Tropsch-Synthesereaktion.
Die Fischer-Tropsch-Synthese ist Fachleuten gut bekannt und umfaßt die Synthese von Kohlenwasserstoffen aus einer gasförmigen Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid durch Kontaktieren der Mischung bei Reaktionsbedingungen mit einem Fischer-Tropsch-Katalysator.
Produkte der Fischer-Tropsch-Synthese können von Methan bis zu schweren Paraffinwachsen reichen. Bevorzugt wird die Produktion von Methan minimiert und ein wesentlicher Anteil der erzeugten Kohlenwasserstoffe hat eine Kohlenstoffkettenlänge von zumindest 5 Kohlenstoffatomen. Bevorzugt ist die Menge an C5+ Kohlenwasserstoffen zumindest 60 Gew.-% des Gesamtproduktes, noch stärker bevorzugt zumindest 70 Gew.-%, und sogar noch stärker bevorzugt zumindest 80 Gew.-%, und am stärksten bevorzugt zumindest 85 Gew.-%.
Fischer-Tropsch-Katalysatoren sind in der Technik bekannt und umfassen typischerweise eine Metallkomponente der Gruppe VIII, bevorzugt Kobalt, Eisen und/oder Ruthenium, noch stärker bevorzugt Kobalt. Typischerweise umfassen die Katalysatoren einen Katalysatorträger. Der Katalysatorträger ist bevorzugt porös, wie ein poröses anorganisches hitzebeständiges Oxid, noch stärker bevorzugt Aluminiumoxid, Siliciumdioxid/Titandioxid, Zirkoniumoxid oder Mischungen daraus.
Die optimale Menge an auf dem Träger vorhandenem katalytisch aktiven Metall hängt unter anderem von dem speziellen katalytisch aktiven Metall ab. Typischerweise kann die Menge an in dem Katalysator vorhandenen Kobalt im Bereich von 1 bis 100 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen Trägermaterial liegen, bevorzugt zwischen 10 und 50 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen Trägermaterial.
Das katalytisch aktive Metall kann in dem Katalysator zusammen mit einem oder mehreren metallischen Promotoren oder Co- Katalysatoren liegen. Die Promotoren können als Metalle oder als Metalloxid vorliegen, abhängig von dem speziell betrachteten Promotor. Geeignete Promotoren umfassen Oxide von Metallen der Gruppen IIA, IIIB, IVB, VB, VIB und/oder VIIB des Periodensystems, Oxide von Lanthaniden und/oder Aktiniden. Bevorzugt umfaßt der Katalysator zumindest ein Oxid eines Elementes in der Gruppe IVB, VB und/oder VIIB des Periodensystems, insbesondere Titan, Zirkonium, Mangan und/oder Vanadium. Als Alternative oder zusätzlich zu Metalloxidpromotoren kann der Katalysator einen Metallpromotor aus der Gruppe VIIB und/oder VIII des Periodensystems aufweisen. Bevorzugte Metallpromotoren umfassen Rhenium, Platin und Palladium.
Ein am besten geeigneter Katalysator umfaßt Kobalt als katalytisch aktives Metall und Zirkonium als Promotor. Ein weiterer am besten geeigneter Katalysator umfaßt Kobalt als katalytisch aktives Metall und Mangan und/oder Vanadium als Promotor.
Der Promotor liegt, wenn er im Katalysator vorhanden ist, typischerweise in einer Menge von 0, 1 bis 60 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile Trägermaterial vor, bevorzugt 0,5 bis 40 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile Trägermaterial. Es versteht sich jedoch, daß die optimale Menge an Promotor mit den jeweiligen Elementen variieren kann, die als Promotor dienen. Wenn der Katalysator Kobalt als katalytisch aktives Metall und Mangan und/oder Vanadium als Promotor aufweist, ist das Atomverhältnis von Kobalt: (Mangan + Vanadium) vorteilhafterweise zumindest 12 : 1.
Die Fischer-Tropsch-Synthese wird bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 125 bis 350ºC durchgeführt, stärker bevorzugt bei 175 bis 275ºC, am stärksten bevorzugt zwischen 200 und 260ºC. Der Druck liegt bevorzugt im Bereich von 5 bis 150 bar absolut, noch stärker bevorzugt zwischen 5 und 80 bar absolut.
Wasserstoff und Kohlenmonoxid (Synthesegas) werden typischerweise dem Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor bei einem molaren Verhältnis im Bereich von 0,4 bis 2,5 zugeführt. Bevorzugt liegt das molare Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid im Bereich von 1,0 bis 2,5.
Die stündliche Gasvolumsgeschwindigkeit kann in breiten Grenzen variieren und liegt typischerweise im Bereich von 1500 bis 10000 Nl/l/h, bevorzugt im Bereich von 2500 bis 7500 Nl/l/h.
Die Fischer-Tropsch-Synthese wird bevorzugt bei Aufschlämmungsphasenbedingungen oder Siedebettbedingungen ausgeführt, wobei die Katalysatorteilchen durch eine nach oben gerichtete oberflächliche Gas- und/oder Flüssigkeitsgeschwindigkeit in Suspension gehalten werden.
Es versteht sich, daß der Fachmann in der Lage ist, die am besten geeigneten Bedingungen für eine spezifische Reaktorkonfiguration und spezifische Reaktorbedingungen auszuwählen.
Bevorzugt liegt die oberflächliche Gasgeschwindigkeit des Synthesegases im Bereich von 0,5 bis 50 cm/s, noch stärker bevorzugt im Bereich von 5 bis 35 cm/s.
Typischerweise wird die oberflächliche Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Bereich von 0,001 bis 4,0 cm/s gehalten, einschließlich der Flüssigkeitsproduktion. Es versteht sich, daß der bevorzugte Bereich von der bevorzugten Betriebsart abhängen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die oberflächliche Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Bereich von 0,005 bis 1,0 cm/s gehalten.
Wie oben erläutert, wird bevorzugt das von Einbauten in der Freibordzone eingenommene Volumen minimiert. Auf diese Weise ist die Chance, daß ein aus der Aufschlämmungszone entweichendes Katalysatorteilchen an Einbauten in der Freibordzone anhaftet, ebenfalls minimiert.
Es kann jedoch bevorzugt sein, daß die Freibordzone speziell entwickelte Mittel enthält, um Katalysatorteilchen aufzufangen. Solche Mittel können z. B. zum Schutz von Teilen der Freibordzone verwendet werden, die mit einer Flüssigkeit oder sonstwie schwierig zu reinigen sind, beispielsweise Auslaßeinrichtungen für Gase.
Typischerweise werden die Mittel zum Auffangen von Katalysatorteilchen einen verhältnismäßig einfachen Durchlaß von Gasen gestatten, wogegen Katalysatorteilchen und/oder deren Feinteile und jegliche mit solchen Gasen mitgerissene Flüssigkeitströpfchen aufgefangen werden. Die Mittel zum Auffangen von Katalysatorteilchen werden auch einer verhältnismäßig einfachen Entfernung der Katalysatorteilchen und Flüssigkeitströpfchen mittels eines Flüssigkeitsrückflusses gestatten.
Die Mittel zum Auffangen von Katalysatorteilchen weisen typischerweise ein oder mehrere Mittel auf, welche den Durchtritt der Gase ablenken. Bevorzugt werden die Gase zu einem gewundenen Weg gezwungen. Somit werden jegliche Katalysatorteilchen mit den Mitteln zum Ablenken des Durchlasses der Gase kollidieren. Ein Flüssigkeitsrückfluß wird aufrechterhalten, um die genannten Katalysatorteilchen zu entfernen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Mittel zum Auffangen von Katalysatorteilchen, nachstehend auch als "Falle" bezeichnet, eine oder mehrere, insbesondere eine Mehrzahl von gewellten Platten auf. Jede gewellte Platte enthält zumindest eine Wellung, bevorzugt eine Mehrzahl von Wellungen. Die Wellungen definieren Erhöhungen ("Zinnen") und Vertiefungen ("Tröge") auf der gewellten Platte. Typischerweise werden die gewellten Platten im wesentlichen vertikal in der Freibordzone angeordnet, und bevorzugt im wesentlichen parallel zur Gesamtströmungsrichtung der Gase durch die Falle. Die Erhöhungen der Wellungen werden jedoch in einer solchen Richtung zur Gesamtrichtung der Strömung der Gase durch die Falle angeordnet, daß die Gase gezwungen werden, einem gewundenen Pfad durch die Falle hindurch zu folgen.
Der Wellungsgrad kann definiert werden als Verhältnis zwischen der tatsächlichen Pfadlänge durch die Mittel zum Auffangen von Katalysatorteilchen hindurch und einem hypothetischen kürzesten Weg entlang einer geraden Linie. Das genannte Verhältnis liegt typischerweise über 1 : 1, bevorzugt ist es zumindest 1,1 : 1, noch stärker bevorzugt zumindest 1, 2 : 1. Typischerweise ist das genannte Verhältnis nicht größer als 2 : 1, bevorzugt nicht größer als 1,5 : 1.
Der Winkel zwischen der Richtung der Erhöhungen und der Gesamtrichtung der Strömung der Gase durch die Falle hindurch ist typischerweise zumindest 30º, bevorzugt zumindest 60º, noch stärker bevorzugt im wesentlichen 90º.
Die Strömung der Gase in der Freibordzone ist normalerweise im wesentlichen vertikal. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mittel zum Auffangen von Katalysatorteilchen so angeordnet, daß die Gesamtrichtung der Strömung der Gase durch die Falle hindurch im wesentlichen ebenfalls vertikal ist. Dies ermöglicht einen verhältnismäßig einfachen Aufbau. Es versteht sich jedoch, daß ein Nachteil einer im wesentlichen vertikalen (nach oben gerichteten) Strömung von Gasen durch die Falle hindurch darin besteht, daß das Entfernen von Katalysator mit einem im wesentlichen vertikalen (nach unten gerichteten) Flüssigkeitsrückfluß bei verhältnismäßig hohen Gasgeschwindigkeiten schwierig sein kann.
Daher kann alternativ die Falle so angeordnet sein, daß die Richtung der Strömung der Gase durch die Falle hindurch einen Winkel von weniger als 180º, jedoch mehr als 0º, zur Strömungsrichtung des Flüssigkeitsrückflusses hat. Bevorzugt liegt der Winkel im Bereich von 30º bis 150º, insbesondere ist der Winkel im wesentlichen 90º.
Somit ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Richtung der Gasströmung durch die Mittel zum Auffangen der Katalysatorteilchen im wesentlichen horizontal, und der Flüssigkeitsrückfluß ist im wesentlichen vertikal. Wie anschließend ausführlicher erläutert wird, wird insbesondere bei dieser Ausführungsform bevorzugt, Katalysator zur Aufschlämmungszone oder zu einer Auffrischungszone im Inneren oder außerhalb des Reaktionsgefäßes zu befördern, und zwar mit Hilfe eines Rohres, welches keinen Eintritt von Gasen in der Freibordzone zuläßt.
Der Flüssigkeitsrückfluß über die Mittel zum Auffangen von Katalysatorteilchen kann auf dieselbe Art und Weise wie oben beschrieben erzeugt und aufrechterhalten werden. Bevorzugt wird die Falle" gekühlt, um einen Rückfluß von kondensiertem gasförmigen Produkt zu erzeugen. Typischerweise weist die Falle Kühlmittel auf. So können gewellte Platten an ein oder mehrere Kühlrohre angeschlossen werden. Alternativ wird der Flüssigkeitsrückfluß über die Falle aufrechterhalten, indem Flüssigkeit von einer externen Quelle Über die Falle gesprüht wird.
Die Wellungen auf den gewellten Platten können auf eine Vielzahl von Arten geformt sein. So können beispielsweise die Wellungen die Form einer Sinuswelle haben, einer Sägezahnwelle, einer Dreieckwelle, einer halb- oder vollgleichgerichteten Sinuswelle oder Kombinationen davon. Die Wellungen haben bevorzugt nicht die Form einer Rechteckwelle.
Zwecks einfacher Fertigung ist die Form der Wellungen im wesentlichen konstant über eine gewellte Platte und die gewellten Platten haben bevorzugt im wesentlichen dieselbe Größe und Form.
Typischerweise sind die gewellten Platten im wesentlichen parallel angeordnet. Der Raum zwischen den Platten definiert den Durchlaß für die Gase. Bevorzugt sind die gewellten Platten so angeordnet, daß die Breite des Durchlasses im wesentlichen konstant bleibt.
Der Raum zwischen zwei gewellten Platten liegt bevorzugt im Bereich von 1 bis 10 mm, noch stärker bevorzugt zwischen 2 und 5 mm.
Der Druckabfall zwischen dem Gaseinlaß und dem Gasauslaß der Falle ist typischerweise kleiner als 2 bar, bevorzugt kleiner als 0,1 bar. Im allgemeinen ist der Druckabfall größer als 0,01 bar.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einem Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor zum Durchführen von exothermen Reaktionen in Anwesenheit eines Katalysators, mit Reaktanteneinlaßmitteln und Produktauslaßmitteln, einer Aufschlämmungszone, die mit Aufschlämmungskühlmitteln ausgestattet ist, und einer Freibordzone, wobei der Reaktor dafür ausgebildet ist, einen Flüssigkeitsrückfluß in der Freibordzone aufrechtzuerhalten.
Typischerweise ist der Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor speziell an das Verfahren der vorliegenden Erfindung angepaßt. So ist für den Fachmann klar, daß die in Bezug auf das Verfahren erörterten bevorzugten Ausführungsformen auch bevorzugte Ausführungsformen hinsichtlich des Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktors sind.
Ohne daß eine Einschränkung auf eine spezielle Ausführungsform beabsichtigt ist, wird die Erfindung nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Vertikalschnitt durch einen Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor 1 mit einer Freibordzone 5, welche Zone eine Falle für Katalysatorteilchen 10 aufweist, wobei die Strömung der Gase durch die Falle im wesentlichen horizontal und der Flüssigkeitsrückfluß im wesentlichen vertikal ist.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Horizontalschnitt durch den Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor 1 entland der Linie A-A', gesehen in Richtung des in Fig. 1 gezeigten Pfeiles.
Fig. 3 zeigt schematisch ausführlicher als Fig. 1 jenen Teil des Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktors 1, welcher die Falle für Katalysatorteilchen 10 enthält. Insbesondere zeigt Fig. 3 schematisch einen Vertikalschnitt entlang der Linie B-B', die in Fig. 2 gezeigt ist.
Fig. 4 zeigt schematisch eine gewellte Platte der Falle für Katalysatorteilchen.
Im Detail zeigt Fig. 1 einen Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor 1 mit einer Reaktorwand 2, welche eine Aufschlämmungszone 3 und eine Freibordzone 5 einschließt. Ein Blech 6 definiert das untere Ende der Aufschlämmungszone 3. Die strichlierte Linie 7 zeigt die Schnittstelle zwischen der Aufschlämmungszone 3 und der Freibordzone 5.
Der Reaktor 1 ist mit Gaseinlaßmitteln 60 und Gasauslaßmitteln 70, Aufschlämmungseinlaßmitteln 80 und Aufschlämmungsauslaßmitteln 90 ausgestattet. Das Blech 6 ermöglicht den Durchtritt vom Gas von den Gaseinlaßmitteln 60 zur Aufschlämmungszone 3.
Die Aufschlämmungszone 3 ist mit Kühlrohren (nicht gezeigt) versehen, welche Kühlrohre sich nicht in die Freibordzone 5 hineinerstrecken.
Die Freibordzone 5 ist mit Mitteln zum Auffangen von Katalysatorteilchen 10 (Falle) ausgestattet. Die Falle 10 enthält eine Mehrzahl von im wesentlichen vertikalen gewellten Platten. Die gewellten Platten sind im wesentlichen parallel zueinander angeordnet, und im wesentlichen parallel zur Gesamtrichtung der Strömung der Gase durch die Falle 10. Die gewellten Platten können in einem kreisförmigen Gehäuse enthalten sein, typischerweise sind die gewellten Platten jedoch in zwei oder mehr, bevorzugt vier oder sechs, einzelnen rechteckigen Gehäusen enthalten, wie in Fig. 2 gezeigt.
Ein Blech 11 zwingt die Gase dazu, im wesentlichen horizontal durch die Falle 10 zu strömen. Das Blech 11 und die Falle 10 werden durch Kühlrohre gekühlt, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Im Betrieb werden Katalysatorteilchen vom Blech 11 und der Falle 10 durch einen Flüssigkeitsrückfluß entfernt.
Die von der Falle 10 durch den Flüssigkeitsrückfluß entfernten Katalysatorteilchen werden der Aufschlämmungszone 3 über ein Rohr 12 rückgeführt. Der Auslaß des Rohres 12 taucht in die Aufschlämmungszone 3 ein.
Unter Bezugnahme nun auf Fig. 2 zeigt das Bezugszeichen 2 die Reaktorwand eines Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktors 1. Sechs Fallen für Katalysatorteilchen 10 sind auf dem Blech 11 montiert. Jede Falle 10 enthält einen Gaseinlaß 13 und einen Gasauslaß 14. Der Gasaustausch 14 steht in Fluidverbindung mit einer Öffnung 15 im Blech 11. Das in die Falle 10 eintretende Gas wird dazu gezwungen, einen gewundenen Pfad entlang einer Vielzahl von gewellten Platten 16 zu folgen. Um einen Flüssigkeitsrückfluß zu erzeugen, werden die gewellten Platten 16 mit Hilfe von Kühlrohren 20 gekühlt. Die Kühlrohre 20 schließen an einen Kopf (nicht gezeigt) in der Zone oberhalb des Bleches 11 (siehe Fig. 3) an und sind bevorzugt unabhängig von dem Kühlsystem in der Aufschlämmungszone 3.
Unter Bezugnahme nun auf Fig. 3 haben die Bezugszeichen, welche den Bezugszeichen in den Fig. 1 und/oder 2 entsprechen, di selbe Bedeutung. Somit stellt Fig. 3 eine Falle für Katalysatorteilchen 10 dar. Die von der Falle 10 mittels des Flüssigkeitsrückflusses entfernten Katalysatorteilchen werden der Aufschlämmungszone 3 über das Rohr 12 rückgeführt. Aufgrund des Druckabfalls über die Falle 10 zwischen dem Gaseinlaß 13 und dem Gasauslaß 14 wird das Schnittstellenniveau zwischen der Auf schlämmungszone 3 und der Freibordzone 5 im Rohr 12 etwas höher als das Niveau im Reaktor sein, wie durch die strichlierte Linie 7 angedeutet.
Um einen Flüssigkeitsrückfluß zu erzeugen, werden die gewellten Platten 16 (wie in Fig. 2 gezeigt) mit Hilfe von Kühlrohren 20 gekühlt. Die Kühlrohre sind typischerweise U-förmig. Ein Ende des Kühlrohres 20 schließt in Fluidverbindung an ein Kühlmitteleinlaßrohr 25 an, wogegen das andere Ende des Kühlrohres 20 in Fluidverbindung an ein Kühlmittelauslaßrohr 30 anschließt.
Das Kühlmitteleinlaßrohr 25 steht in Fluidverbindung mit einem Kühlmitteleinlaßverteilungsring 35, und das Kühlmittelauslaßrohr 30 steht in Fluidverbindung mit einem Kühlmittelauslaßverteilungsring 40. Der Verteilungsring 35 schließt in Fluidverbindung an Einlaßmittel zum Einbringen von Kühlmittel in den Reaktor (nicht gezeigt) an, und der Verteilungsring 40 schließt in Fluidverbindung an Auslaßmittel zum Entfernen von Kühlmittel aus dem Reaktor (nicht gezeigt) an.
Geeignete Kühlmittel sind Fachleuten bekannt. Ein bevorzugtes Kühlmittel ist Wasser und/oder Dampf.
Fig. 4 zeigt schematisch eine gewellte Platte 50 zur Verwendung in einer Katalysatorteilchenfalle 10 wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt. Die Vielzahl von Wellungen auf der gewellten Platte 50 definiert Tröge bzw. Vertiefungen 51 und Zinnen bzw. Erhöhungen 52.
Der Pfeil in Fig. 4 zeigt die Gesamtrichtung der Strömung der Gase durch die Falle 10. Die gewellte Platte 50 wird im wesentlichen parallel zur Gesamtrichtung der Strömung der Gase durch die Falle angeordnet, wogegen die Erhöhungen im wesentlichen senkrecht zu dieser Strömung angeordnet werden. Es versteht sich, daß die Erhöhungen mehrerer gestapelter gewellter Platten 50 die Gase dazu zwingen, einem gewunden Pfad durch die Falle hindurch zu folgen.

Claims

1. Verfahren zum Durchführen einer exothermen Reaktion in Anwesenheit von festen Katalysatorteilchen in einem Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor mit einer Aufschlämmungszone und einer Freibordzone, in welcher Aufschlämmungszone die Katalysatorteilchen in Suspension in einer Aufschlämmungsflüssigkeit gehalten werden, welche Freibordzone aus der Aufschlämmungszone entwichene Katalysatorteilchen enthält, und in welcher Freibordzone ein Flüssigkeitsrückfluß aufrechterhalten wird, um die Katalysatorteilchen aus der Freibordzone zu entfernen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welcher die in der Freibordzone anwesenden Katalysatorteilchen zur Aufschlämmungszone rezykliert werden.

3. Verfahren zum Durchführen einer exothermen Reaktion nach Anspruch 1 oder 2, welche exotherme Reaktion zumindest einige gasförmige Produkte erzeugt, welche gasförmigen Produkte in der Lage sind, zumindest teilweise bei einer Temperatur zwischen der Reaktionstemperatur im oberen Bereich der Aufschlämmungszone und 50ºC unter der genannten Reaktionstemperatur zu kondensieren, wobei das gasförmige Produkt zumindest teilweise in der Freibordzone kondensiert wird, um den Flüssigkeitsrückfluß zu erzeugen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die gasförmigen Produkte zumindest teilweise durch ein externes Kühlen der die Freibordzone umgebenden Wand kondensiert werden, oder bei welchen die gasförmigen Produkte zumindest teilweise durch ein Zulassen von Auslecken von Wärme aus der Freibordzone des Reaktors kondensiert werden, so daß die Temperatur in der Freibordzone gegenüber der Temperatur im oberen Teil der Aufschlämmungszone herabgesetzt ist, oder bei welchem die gasförmigen Produkte zumindest teilweise durch Kühlmittel in der Freibordzone kondensiert werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die exotherme Reaktion eine Fischer- Tropsch-Synthesereaktion ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Freibordzone Mittel zum Auffangen von Katalysatorteilchen enthält, oder bei welchem die Freibordzone Mittel zum Auffangen von Katalysatorteilchen umfassend eine oder mehrere gewellte Platten enthält und ein Flüssigkeitsrückfluß über die gewellten Platten aufrechterhalten wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem indirekte Aufschlämmungskühlmittel, die zum Kühlen der Aufschlämmungszone verwendet werden, sich im wesentlichen nicht in die Freibordzone hineinerstrecken.

8. Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor zum Durchführen von exothermen Reaktionen in Anwesenheit eines Katalysators, mit Reaktanteneinlaßmitteln und Produktauslaßmitteln, einer Aufschlämmungszone, die mit Kühlmitteln ausgestattet ist, und einer Freibordzone, wobei der Reaktor dafür ausgebildet ist, einen Flüssigkeitsrückfluß in der Freibordzone aufrechtzuerhalten.

9. Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor nach Anspruch 8, bei welchem die Freibordzone Mittel zum Auffangen von Katalysatorteilchen enthält.

10. Dreiphasen-Aufschlämmungsreaktor nach Anspruch 9, bei welchem die Mittel zum Auffangen von Katalysatorteilchen eine Vielzahl von gewellten Platten umfassen, die eine Vielzahl von Wellungen enthalten, welche gewellten Platten im wesentlichen vertikal und im wesentlichen parallel zur Gesamtrichtung der Strömung der Gase durch die Falle hindurch angeordnet sind, und wobei im Betrieb die Erhöhungen der Wellungen die Gase dazu zwingen, einem gewundenen Pfad durch die Falle hindurch zu folgen.