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Vorrichtung für die' Kohlenoxydhydrierung Die vorliegende Erfindung
betrifft eine Vorrichtung für die katalytische Kohlenoxydhydrierung an in einem
flüssigem Medium schwebend gehaltenen, fein verteilten Katalysatoren unter Benutzung
eines über den ganzen Querschnitt in Schächte eingeteilten Reaktionsapparats, bei
dem der Sumpf unter den Schächten und die Gaszuführung besonders ausgestaltet werden.
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Die Unterteilung des größten Teils der Länge, einschließlich der
oberen Begrenzungsfläche gegen den Gasraum, einer stehenden, d. h. nicht umlaufenden
Flüssigkeitssäule mit einem Durchmesser von mehr als 30 cm, 100 cm oder darüber
in voneinander getrennte Einzelsäulen mit gemeinsamem Sumpf bei gemeinsamem oberem
Gasraum verhindert in solchen Vorrichtungen bei Gasdurchgang die Ausbildung von
in der Hauptsache vertikal ausgerichteten Flüssigkeitskreislaufströmungen und hat
zur Folge, daß selbst bei einem stündlichen Gasdurchgang von weniger als 30 Betritbslitern
je cm2 Reaktionsraumquerschnitt die Gasverteilung nach Größe, Menge und Aufstiegsgeschwindigkeit
der Gasblasen über den ganzen Querschnitt des Reaktionsraums weitgehend ausgeglichen
ist. Man hat es dabei als zweckmäßig angesehen, jeden einzelnen Schacht, durch den
die einzelne Flüssigkeitssäule gebildet wird, mit einer eigenen, gegebenenfalls
sogar einzeln geregelten Gasmenge zu beschicken, die jeweils direkt in den Schacht
oder zumindest senkrecht unter jedem Schacht in den gemeinsamen
Flüssigkeitssumpf
eingeführt werden sollte. Hieraus ergab sich die Notwendigkeit einer über den ganzen
Reaktionsraumquerschnitt gleichmäßig verteilten Gaszuführung mit mindestens je einer
Gasaustrittsöffnung je Schacht.
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Es wurde nun gefunden, daß bei derartigen hohen, zylindrischen, in
Schächte eingeteilten Reaktionsräumen -auch dadurch eine gleichmäßige Gasverteilung
innerhalb der Schächte erreicht wird, daß der Reaktionsraum unterhalb der Schächte
verjüngt wird zu einer einzigen axial eintretenden Gaseintrittsöffnung, deren Abstand
von der Unterkante des Schächtepaketes mindestens so groß oder größer ist als der
Durchmesser des zylindrischen Reaktionsraumes.
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Die Wirkung dieser Anordnung nach der Erfindung ist insofern überraschend,
als bei zylindrischen Flüssigkeitssäulen von 30 cm Durchmesser an aufwärts selbst
bei gleichmäßig über den ganzen Boden verteilter feinblasiger Gaseinführung, sich
starke, vertikal über die ganze Höhe der Säule erstreckende Flüssigkeitswalzen ausbilden,
die eine gleichmäßige 'Verteilung der Gasblasen über den ganzen Querschnitt in jeder
Höhe außer in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche verhindern. Bei zentraler Gas
einführung wird dieser innere Flüssigkeitsumlauf vermutlich noch begünstigt. Es
hat sich dabei nun herausgestellt, daß bei schächteartiger Unterteilung der Flüssigkeitssäule
der obere Umkehrpunkt der Flüssigkeitswalze nicht unterhalb der Unterkante des Schächtepaketes
liegt. Hier ist dann ähnlich wie bei der Flüsslgkeitsoberfläche die Gasverteilung
über den Querschnitt fast gleichmäßig. Die regulierende Wirkung des in den Schächten
sich ausbildenden Flüssigkeit-Gasblasen-Schwebesystems auf das hydrostatische Gleichgewicht
an der Basis des Schächtepaketes hat zusätzlich eine praktisch gleichmäßige- Gasverteilung
auf alle Schächte zur Folge.
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Die Form der Verjüngung des Reaktionsraumes unterhalb der Schächte
nach der Erfindung kann verschiedenartig gehalten sein, beispielsweise konisch oder
bauchig od. dgl., wie Abb. I oder 2 darstellt.
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Der Abstand zwischen Gaseintrittsöffnung und Schächtepaketunterkante
muß ein- bis mehrfach so groß sein wie der Reaktionsdurchmesser, damit der Gasstrahl
durch die Flüssigkeitssäule genügend zerrissen wird. Es können auch Prallflächen
über der Gaseintrittsöffnung angebracht werden. Als solche wirken aber im ausreichenden
Maße die waagerechten Kühlmittel-Zuführungsrohre zum Kühlsystem, das zweckmäßigerweise
so tief wie möglich unterhalb des Schächtepaketes verlängert ist, weil auch im Sumpf
unterhalb des Schächtepaketes Reaktionswärme abgeführt werden muß.
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Das Verhältnis der freien Querschnitte von Gaseintrittsdüse und Reakhonsrau.
in der Höhe des Zylinders kann im Reaktionsapparat nach der Erfindung zwischen etwa
I :IO und etwa 1 : 10 000 liegen in Abhängigkeit von der absoluten Größe des Reaktionsapparates
und der vorgesehenen Querschnittsbelastung in Betriebsvolumeneinheiten Synthesegas,
bezogen auf den freien Reaktionsraumquerschnitt. Die praktische Querschnittsbelastung
bei der Kohlenoxydhydrierung mit suspendierten Eisenkatalysatoren bei Synthesedrucken
zwischen etwa 5 und 25 at liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 200 Betriebsliter
Synthesegas in der Stunde, bezogen auf den cm2 Reaktionsraumquerschnitt.
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Das Verhältnis von Püsenquer,schnitt zu Reaktionsraumquerschnitt
wird im gesamten Bereich der Querschnittsbelastung so gewählt, daß die lineare Gasgeschwindigkeit
in der Gaseintrittsöffnung (Düse) zwischen 2 und 400 m pro Sekunde, vorzugsweise
zwischen 5 und 200 m pro Sekunde liegt.
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In Richtung vergrößerten Reaktionsraumdurchmessers wird zweckmäßigein
im Verhältnis zum Reaktionsraumquerschnitt kleinerer Düsenquerschnitt gewählt, wobei
dementsprechend bei gleicher Synthesegasquerschnittsbelas tung auch die lineare
Gasdurchtrittsgeschwindigkeit erhöht ist. Wegen des gemäß der Erfindung entsprechend
dem Durchmesser des Reaktionsraumes vergrößerten Ab-standes zwischen Düse und Scbächtepaket-Unterkante
ist eine entsprechend vergrößerte.Gasdurchtrittsgeschwindigkeit erwünscht, weil
in diesem bis zu 5 m hohen Sumpf eine kräftige Turbulenz der Flüssigkeit aufrechterhalten
werden muß.
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Reaktionsräume von großem Durchmesser werden außerdem vorteilhast
auch in der Höhe entsprechend gröBer gehalten, beispielsweise 25 m Höhe bei 2,5
m Durchmesser. Zur Erzielung der gleichen Raumbelastung mit Synthesegas und, hieraus
folgend, derselben Raumzeitausbeute an Reak tionsprodukten können derartige hohe
Reaktionsräume mit größerer Querschnittsbelastung betrvieben werden als niedrigere
Reaktionsräume, ohne daß die Katalysatorbelastung bei gleicher Konzentration erhöht
ist.
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Durch Erhöhen der Querschnittsbelastung hat man es in der Hand, die
Zone der Reaktion, die beispielsweise bei der Querschnittsbelastung von stündlich
I0 Be-triaebsliter/cm2 nur etwa 2 m beträgt, gleichmäßig über die gesamte Höhe des
Reaktionsraumes auseinanderzuziehen. Im selben Sinne begünstilgend wirkt sich die
Einhaltung eines Temperaturanstieges von unten nach oben mit relativ niedriger Temperatur
im Ofensumpf aus, wie bereits vorgeschlagen worden ist.-Durch die nach der Erfindung
den gesamten Inhalt des Sumpfes umfassende kräftige Umwälzbewegung des flüssigen
Mediums wird der suspendierte Katalysator gleichmäßig auf den gesamten Sumpfinhalt
verteilt, wodurch auch eine gleichmäßige Zuführung von Katalysator zu den einzelnen
Schächten sichergestellt ist. Vor allem werden durch die Verjüngung des Ofenunterteiles
nach der Erfindung die bewegungsarmen Toträume vermieden und damit Katalysatorabsetzungen
verhindert.
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An Stelle der konischen Verjüngungen wie in Abb. I kann auch eine
der Flüssigkeitswalzenströmung angepaßte Verjüngung nach Art der Abb. 2 vorteilhaft
Verwendung finden, wobei die Walzenbewegung wirksam unterstützt werden kann durch
Verlängerung
der Düse, derart, daß sie in den Raum hineinragt.
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Man kapn auch der in den Reaktionsraum hinein verlängerten Düse konzentrisch
Leitkörper für das flüssige Medium zuordnen, etwa nach der in Abb. 3 oder Abb. 4a
bzw. 4b dargestellten Weise. Der ringförmige Leitkörper wird' vorteilhaft so angeordnet,
daß zwischen diesem und der Innenwand des Reaktionsbehälters sowie dem Gaseinführungsrohr
ein freier Ringraum für das flüssige Medium gebildet wird, der zwischen Gaseififührungsrohr
und Leitkörper sich nach oben verengt und etwa in der Höhe der Oberkante des Gaseinführungsrohres
die größte Verengung aufweist.
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Von diesem Punkt an kann der Leitkörper einen trichterartig sich
erweiternden Aufsatz erhalten, wie beispielsweise nach Abb. qa, 4b und 5, dessen
Offnungswinkel vorteilhaft zwischen 50 und I200 beträgt.
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Mit dieser Anordnung wird durch den Gasstrom eine kräftige Saugwirkung
ausgeübt, wodurch die Flüssigkeit mit vergrößerter Geschwindigkeit umgewälzt wird.
Man erreicht damit einen weitgehend regelbaren Zwangsumlauf der Katalysatorsuspension.
Da die hierfür erforderliche Energie ausschließlich durch das Synthesegas in das
System eingebracht wird, hat man es in der Hand, durch erhöhte Gasgeschwindigkeit,
wobei ein Druckabfall vor und hinter der Düse von der Größenordnung 0,2 bis I at
oder darüber in Kauf genommen werden muß, die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsumlaufes
so weit zu erhöhen, daß ein wesentlicher Teil des oberhalb der Düse mit der Flüssigkeit
gemischten Gases mit dieser im Kreislauf an der Düse vorbeigeführt wird. Die Folge
hiervon ist eine schon fast gleichmäßige Zerteilung des Gases zu kleinen Blasen
in der Zone unterhalb der Schächte.
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Die Gasverteilung nach der Erfindung kann entsprechend Abb. 5 weiterhin
noch dadurch verbessert werden, daß die trichterförmige Verlängerung des Leitkörpers
oben mit einer Lochplatte versehen ist, durch deren Öffnungen Gas und umlaufende
Flüssigkeit gemeinsam hindurchgepreßt werden.
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Die Öffnungen in der Lochplatte können relativ weit gehalten werden;
vorzugsweise haben sie mehr als 10 mm Durchmesser und kreisförmigen Querschnitt.
Sie können gleichmäßig über die ganze Platte verteilt oder bevorzugt nach dem Rand
hin angereichert sein. Die Summe der Querschnitte sämtlicher Öffnungen soll aber
mindestens zwei-und bis zwanzigmal so groß sein wie die Summe der kleinsten freien
Querschnitte der Gaseinführungsdüse und des Ringraumes zwischen dieser und dem Leitkörper.
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PATENTANSPROCIIE: I. Vorrichtung für die Kohlenoxydhydrierung an
in einem flüssigen Medium suspendierten Katalysatoren, bestehend aus einem hohen,-zylindrischen,
mit Kühlvorrichtungen zum Abführen der Reaktionswärme aus dem Innern versehenen
Behälter; der auf dem größten Teil seiner Länge in senkrechte, gegeneinander fiüssigkeitsdicht
getrennte, unten und oben offene Schächte so eingeteilt ist, daß slie Schächte ein
Paket bilden, unterhalb dessen Unterkante ein gemeinsamer Raum über dem Gasverteilerboden
für das flüssige Medium und oberhalb dessen Oberkante ein gemeinsamer Gasraum für
das Endgas freigelassen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum unterhalb
der Unterkante des Schächtepaketes zu einer einzigen, axial angeordneten Gaseintrittsöffnung
verjüngt wird, deren Abstand von der Unterkante des Schächtepaketes mindestens so
groß oder größer ist als der Durchmesser des zylindrischen Reaktionsraumes.