DE892456C - Vorrichtung zur Ausfuehrung exothermer Reaktionen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Ausführung exothermer Reaktionen Die technische Anwendung zahlreicher chemischer Reaktionen wird durch die sie begleitende Wärmeentwicklung erschwert, die verschiedene Nachteile haben.kann, und zwar: Verschiebung <des chemischen Ausgleichzustandes, Zerstörung der gewonnenen Produkte, Beschädigung der Vorrichtungen oder der Katalysatoren.
• Ein erstes Mittel zur Überwindung dieser Schw,ierigkeit besteht darin, die in einem neutralen Mittel reagierenden Körper zu verdünnen oder die Anordnung derart zu treffen, daß nur ein Teil des Reaktionsgemisches tatsächlich reagiert, was auf das gleiche hinausläuft. Als Nachteile dieses Verfahrens sind zu nennen die umfangreiche und somit kostspielige Anlage in bezug auf die erzielte Produktion sowie der zusätzliche Kraftbedarf für die Umwälzung des Verdünnungsmittels. Schließlich erschwert auch die Gegenwart des Verdünnungsmittels in der Regel die Zurückgewinnung der Reaktionsprodukte.
• Ein anderes Mittel besteht darin, die Reaktion in einer Vorrichtung vorzunehmen, deren Wärmeaustauschfläche in bezug auf Idas Volumen genügend groß ist, um das Abführen der überschüssigen Wärmeeinheiten zu bewirken. Zur Anwendungdieses Grun,dgedanlsens benutzt man häufig Vorrichtungen, in denen der Reaktionsraum, d. h. der Raum, in dem die Reaktion abläuft, aus zahlreichen Elementen -mit kleinem Einheitsvolumen besteht, die derart parallel geschaltet sind, daß sie für ein gegebenes Volumen eine große Fläche bieten. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise die Anordnung mit Rohrbündeln treffen.
• Wenn nun diese Anordnung vom Standpunkt des Wärmeaustausches aus betrachtet sehr wirksam ist, so hat sie doch schwere praktische Nachteile.
• Die hauptsächlichsten sind die folgenden: Es ist schwierig, das Reaktionsgemisch gleichmäßig auf die verschiedenen Elemente zu verteilen, Xdas Verhalten eines jeden Elementes wirksam zu prüfen, den Innenraum :der kleinen Elemente für die Reinigung zugänglich zu machen und die darin enthaltene Katalysatormasse zu ersetzen. Die Anlage ist kostspielig, und die zahlreichen mehr oder weniger zugänglichen Anschlüsse, Dichtungs- und Schweißstellen haben eine unbequeme Unterhaltung zur Folge.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kennzeichnet sich dadurch, daß die Reaktionszone durch einen Teil oder die Gesamtheit eines Ringraumes gebildet ist, der sich zwischen zwei mit praktisch parallelen Wandungen ineinandergebauten Körpern befindet. Die Wahl der Abmessungen dieser beiden Körper bestimmt die Austauschfläche, die man den durch den Ringraum strömenden Mitteln bieten will. Die Außenwände des äußeren Körpers und die Innenwände des inneren Körpers werden durch geeignete Mittel beliebiger Art gekühlt.
• Weitere Merkmale werden nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
• Fig. I ist ein schematischer Schnitt durch die Vorrichtung; Fig. 2 ist eine ähnliche Ansicht einer anderen Ausführung.
• Die Vorrichtung besteht im wesentlichen (Fig. I) aus einem zylindrischen Mantel I, der oben durch einen abgedichteten Deckel 2 und unten durch einen ringförmigen Boden 3 abgeschlossen ist. Der Boden kann durch einen oder zwei Flansche oder durch autogenes Schweißen befestigt werden. Im letzteren Fall ist als Dichtungsmittel nur dasjenige des Deckels 2 vorhanden. Dieses Dichtungsmittel befindet sich dabei an einer Idurch das eintretende Reaktionsgemisch gekühlten Stelle und arbeitet deshalb unter den günstigsten Verhältnissen.
• Im Innern des Mantels I befindet sich ein gleichachsiger Zylinder 4, dessen Durchmesser gleich ist demjenigen der Oeffnung des ringförmigen Bodens, mit dem er -durch einen Flansch oder durch Schweißen verbunden ist, und dessen Hohe gleich ist derjenigen des Mantels 1. Er ist oben durch eine Haube 5 geschlossen, deren Gestalt zur Erleichterung des Durchströmens des durch den Stutzen 6 eintretenden Mittels gewählt ist. Diese Anordnung gestattet die freie Dehnung des inneren Zylinders ohne besondere Einrichtung.
• Der Reaktionsraum umfaßt einen Teil des Ringraumes oder den ganzen Ringraum zwischen dem Mantel 1 und dem inneren Zylinder 4. Es ist ohne lveiteres ersichtlich, daß durch dieWahl zdes Durchmessers und der Höhe der Teile I und 4 für ein gegebenes Volumen des Ringraumes die gewünschte Austauschfläche hergestellt werden kann, die durch die Oberfläche des-Mantels-I und-des Zylinders 4 gebildet wird.
• Dieser Reaktionsraum enthält in der Regel katalytische oder nichtkatalytische Füllkörper, die auf einem Rost 10 ruhen, unter dem ein freier Raum vorgesehen ist. Diese Anordnung soll das durchströmende Mittel daran hindern, den bevorzugten Weg F in Richtung der Austrittsöffnungen einzuschlagen. Die Wärmeleitfähigkeit der Füllung muß bei der Berechnung der Vorrichtung berücksichtigt werden, und der Abstand zwischen den Wänden I und 4 ist zum Teil von diesem Faktor abhängig.
• Die Reaktionsprodukte treten durch mehrere Rohrstutzen 8 aus, deren Anzahl von der Größe der Vorrichtung abhängig ist und genügend groß sein muß, um eine gute Verteilung des Stromes im Reaktionsraum zu bewirken. Die Rohrstutzen münden in ein Sammelrohr 9.
• Die Außenseite des Mantels I und <die Innenseite des Zylinders 4 kann mit Rippen zur Erleichterung des Wärmeaustausches versehen sein. Der Mantel 1 kann durch die alleinige Einwirkung der Umgebungsluft oder durch an der Stelle 13 aufgeblasene Luft gekühlt werden. Er kann auch von einem Hilfsmantel II (Fig. 2) umgeben sein, durch den ein flüssiges oder gasförmiges Mlittel strömt.
• Der oben geschlossene Zylinder 4 wird durch einen Luftstroms oder ein sonstiges geeignetes Mittel gekühlt, das durch die axiale Rohrleitung7 zugeführt wird.
• Die Haube 5 sdes Zyhnders 4 kann mit einem Wärmeschutzmittel ausgekleidet sein, durch das die vorzeitig Abkühlung des durch den Stutzen 6 eintretenden Mittels verhütet wird. Soll aber das -Reaktionsgemisch vorgewärmt werdenj so wird das Wärmeschutzmittel beseitigt und die Strömungsrichtung des Kühlmittels f umgekehrt (Fig. 2).
• Dieses bei 14 eintretende Mittel wird in den Hilfsmantel II, 12 und in die Rohrleitung 10, den Innen; raum des Zylinders.4 und in das Abzugsrohr 7 verteilt. Unter diesen Verhältnissen wird ein Teil der an der Wand des Zylinders 4 aufgenommenen Wärme an das Reaktionsgemisch vor dessen Eintritt in den Reaktionsraum übertragen.
• Die Vorrichtung wird normalerweise aus Metall gebaut, das der Art der zu fbehandelnden Produkte und den wärmetechnischen Verhältnissen entsprechend gewählt wird. Es können aber auch andere Baustoffe gewählt werden, wenn die behandelten Produkte oder die Betriebsverhältnisse dies erfordern. Für jeden Baustoff müssen. jedoch die Wände genügend wärmeleitfähig sein, um den Wärmeaustausch dem Grundgedanken der Erfindung entsprechend zu bewirken.
• Die Vorrichtung kann bei einem Druck in der Nähe des Atmosphärendruckes oder bei einem tiefen Unterdruck betrieben werden. Der Betrieb mit Überdruck, wenngleich er theoretisch möglich ist, ist jedoch wegen der erforderlichen Wandstärken nicht angebracht, die den Wärmeaustausch stören würden.
• Die Vorrichtung soll im wesentlichen für Reaktionen in Ider Gasphase mit oder ohne Kata- lysator dienen. Sie kann aber auch für Reaktionen einer Flüssigkeit mit einem Gas oder mit einer anderen Flüssigkeit mit oder ohne Katalysator benutzt werden.
• Ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen, kann man die Strömung der Mittel innerhalb und außerhalb der Vorrichtung ändern, vorausgesetzt, daß die den Grundgedanken der Erfindung bildenden Vorschriften eingehalten werden.
• Beispiel I Formaldehyd Formaldehyd wird dadurch gewonnen, daß man ein Gemisch von Luft und Methanoldämpfen über einen Katalysator streichen läßt, der durch den exothermen Charakter der Reaktion 2 CH3OH + °2 # 2 H2O @ + 2 CH2C) + 83,3WE auf einer Temperatur von etwa 6000 gehalten wird.
• Wünscht man eine starke Leistung für jede katalytische Volumeinheit, so steigt die Temperatur, und der Formaldehyd wird teilweise oder ganz durch die Nebenreaktionen CHOCO + H2 2CH2O CO2 + CH4 auf Kosten der Leistung zerstört.
• Eine technische Rohrbündeleinheit, bestehend aus zehn parallel geschalteten Elementen mit einem Katalysatorinhalt von 250 cm3, liefert in 24 Studen 3,5 t eines marktfähigen Produktes mit einer Ausbeute von 77 % der Theorie.
• Man ersetzt diese Einheit durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung der in Fig. I dargestellten Art mit dünnen Wänden aus rostfreiem Stahl, jedoch mit einem angeschweißten Boden. Das aus Luft und Methanoldämpfen bestehende Gemisch tritt durch den Stutzen 6 ein, die Reaktionsprodukte treten durch die Stutzen 8 un<d das Sammelrohr 9 aus. Der mit breiten Rippen versehene Mantel 1 wird durch die Umgebungsluft gekühlt. Der Zylinder 4 wird mit einem durch die Rohrleitung 7 eingeblasenen Luftstrom gekühlt. Die im Ringraum enthaltene Katalysatormenge beträgt 2,5 1 und ist gleich der in den zehn Rohren der ersetzten Vorrichtung enthaltenen Menge.
• Unter diesen Verhältnissen beträgt die tägliche Leistung 5,250 t. Das gleiche Katalysatorvolumen erzeugt somit I,5mal mehr, und die Ausbeute erreicht 83 °/o der Theorie.
• Beispiel 2 Cyclohexan Benzol läßt sich katalytisch zu Cyclohexan gemäß der Formel QH6+3 H2¼H12+49,8WE hydrieren. Oberhalb 2000 verschiebt sich das Gleichgewicht der Reaktion nach links, wodurch die Gewinnung eines benzolfreien Produktes verhindert wird. Unterhalb I80° sinkt die Schnelligkeit der Reaktion wesentlich auf Kosten der Leistung der Vorrichtung.
• Zur Vermeidung der schädlichen Wirkungen der Überhitzung ist es üblich, die Benzoldämpfe mit einem starken überschuß an Wasserstoff zu verdünnen, der nach Rückgewinnung des entstandenen Cyclohexans wieder eingeführt wird. Um aber eine genügend lange Berührungszeit zwischen dem Reaktionsgemisch und dem Katalysator zu erzielen, müssen derart große Katalysatormengen eingesetzt werden, daß die Stundenleistung eines Liters Katalysator nur 10 g beträgt. Auch muß in der Vorrichtung eine große Menge Wasserstoff umgewälzt werden, die nur als Wärmeträger dient.
• Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung aus Rotkupfer der in Fig. 2 dargestellten Art benutzt.
• Das Gemisch aus Benzol!dämpfen und Wasserstoff, in dem der Anteil an Wasserstoffgas nur wenig, etwa 10% größer ist als theoretisch notwendig, wird durch den Rotirstutzen 6 eingelassen und durchströmt den im Ringraum befindlichen Katalysator. Die Reaktionsprodukte, bestehend aus Cyclohexandämpfen und dem Überschuß an Wasserstoff, treten durch die Rohrstutzen 8 und das Sammelrohr g aus.
• Der Hauptmantel ist von einem Hilfsmantel 11 umgeben, der Boden des Zylinders 4 ist geschlossen, der Zylinder 4 und der Hilfsmantel- I I sind mit einem Verteilungs rohr verbunden, durch das ein Ölstrom von etwa I400 zugeführt wird. Ein Teil dieses Öls fließt durch den Hilfsmantel 11 und tritt durch das Ringrohr 12 aus. Ein anderer Teil gelangt in den Zylinder 4, erwärmt sich an dessen Wänden, gibt einen Teil seiner Wärme an das R'e<aktionsgemisch durch die Wand der Haube 5 ohne Wärmeschutz ab und tritt durch das Rohr 7 aus. Die auf diese Weise bewirkte Vorwärmung des Reaktionsgemisches gestattet das Einsetzen der Reaktion sofort bei der Berührung mit dem Katalysator, der jedoch durch den Umlauf auf der günstigsten Temperatur gehalten wird.
• Unter diesen Verhältnissen kann I 1 Katalysator stündlich 300 g Cyclohexan liefern mit mindestens I °/0 nicht hydriertem Benzol. Die starke Verminderung des Volumens der Restgase, die nur einen Bruchteil des eingesetzten Wasserstoffs darstellen, vereinfacht wesentlich die Rückgewinnung des Cyclohexans.

Claims (3)

1. P A T E N T A N S P R Ü C H E : I. Vorrichtung zur Ausführung exothermer Reaktionen, gekennzeichnet durch nur eine Reaktionszone, die ,durch einen Teil oder die Gesamtheit eines luftdicht geschlossenen Ringraumes zwischen den Innen- und Außenwänden zweier mit praktisch parallelen Wandungen ineinandergebauter, an den Enden durch dichtschließende Wände miteinander verbundener Körper gebildet ist, und durch Räume innerhalb des inneren Körpers und außerhalb des äußeren Körpers für den Umlauf eines zur Kühlung oder Erwärmung dienenden Mittels.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch I, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Körper (I), der oben durch einen Deckel (2) und unten durch einen ringförmigen Boden (3) abgeschlossen ist, durch einen Idamit gleichachsigen zylindrischen Körper (4), dessen Durchmesser gleich ist demjenigen der Öffnung des ringförmigen Bodens (3), und der oben durch einen vorzugsweise wärmegeschützten, vom Deckel des äußeren Körpers (2) abstehenden Deckel (5) abgeschlossen und unten durch ein mit einem Spalt durch ,den Ringboden tretendes Rohr (7) an eine Kühlmittelquelle angeschlossen ist, durch einen in den Raum zwischen den Deckeln der beiden Körper .mündenden Einlaßstutzen (6)., durch vom Ringboden (3) abgebende Auslaßstutzen (8) und durch einen äußeren Hilfsmantel (13) für den Umlauf von Kühlluft.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsleitungen des Kühlmittels zugleich in den Hilfsmantel (II) des äußeren Körpers (i) und in den Innenraum des inneren Körpers (4) münden, wobei das Kühlmittel jeweils durch die äußeren Stutzen (I2) und durch das mittlere Rohr (7) austritt.