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Reaktionsapparat zur Durchführung von exothermen oder endothermen
Gasreaktionen Es sind bereits Vorrichtungen zur Durchführung von Gas reaktionen
in Gegenwart von in einem flüssigen Medium feinverteilten Katalysatoren vorgeschlagen
worden; bei welchen das Gas in Blasenform von unten nach oben durch das flüssige
Medium in solcher Menge geführt wird, daß die Katalysatoraufwirbelung und die Bermhrungszeit
des Gases mit Flüssigkeit und Katalysator für einen vollständigen Umsatz bereits
bei einmaligem Gasdurchgang annähernd ausreichen. Eine Vorrichtung dieser Art arbeibet
mit Umlantf der Katalysatorsuspension durch Fallrohre, wobei sich der Gaseintritt
am tiefsten Punkte der Apparatur zur Vermeidung der Katalysatorsedimentation befindet.
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Zu dem gleichen Zwecke wurde für die kataly tische Kohlenoxydhydrierung
an in einem flüssigen Medium suspendierten Katalysator ein Syntheseofen benutzt,
bei dem die Abführung der Reaktiionsurärme aus dem Innern des Reaktionsraumes mittels
mit flüssigen Kühlmitteln beschickten, mit einem Dampfsammler oder Wärmeaustauscher
in Verbindung stehenden. Kühlrohren erfolgt. Die Kühlrohre, die nicht mit Wärmeleitvorrichtungen
versehen sind, sind vertikal angeordnet und haben einen gegenseitigen Abstand von
mindestens 20 mm.
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Es wurde auch schon vorgeschlagen, zur Steigerung der Raumzeitausbeute
unter zusätzlicher Ausbeutesteigerung an verwertbaren Produkten bei der
katalytischen
Kohlenoxydhytdriertung an in einem flüssigen Medium suspendierten Katalysator die
drei Phasen Katalysator, Öl und Gas in einen wirbelschichtähnlichen, stabilen Verteilungszustand
überzuführen, und zwar ohne Zuhilfenahme besonderer Einbauten, mechanischer Hilfsmittel,
fremder Energie od. dgl., sondern allein unter Ausnutzung des Auftriebs von Gashelastung
in der Flüssigkeit sowie der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit,
des Gases und des Katalysators. Diese Wirkungen werden durch Einhaltung definierter
Beziehungen zwischen Katalysatorkorngröße, Katalysatorkonzentration im flüssigen
Medium und in der Zeiteinheit durch die Volurieneinheit flüssigen Mediums durchgesetzten
Gasmengen unter Berücksichtigung des Betriebsdruckes und der Temperatur erzielt.
Das hierfür vorgeschlagene flüssige Medium besteht aus Kohlenwasserstoffgemischen,
wie sie bei der Synthese entstehen, die unter Betriebsbedingung,en als Flüssigkeit
von niederer Viskosität und sehr geringen Dampfdruck vorliegen. Es werden vornehmlich
Eilsenkatalysatoren, die eine Korngröße von nicht mehr als 1 mm aufweisen und in
einem unter Synthesebedingungen flüssigen, aus Kohlenwass erstoffen bestehenden
Medium suspendiert sind, bei erhöhten Drucken von 3 bis 150 Atmosphären verwendet.
Um Katalysatorsuspension und Gas in den Zustand besonders inniger Durchmischung
zu bringen, muß die Belastung des Reaktionsraumes an Frischgas und gegebenenfalls
rückgeführtem Erdgas in den Grenzen von 5 bis 1001 (auf Normaltemperatur bezogen)
komprimiertem Gas pro Stunde und Liter Katalysatorsuspension gehalten werden, wobei
das Synthesegas mit einer Raumgeschwindigkeit von mehr als 100 Normalllter Frischgas
pro Stunde und Liter Katalysatorsuspension von unten nach oben durch die stationär
gehaltene, d. h. nicht im Kreislauf geführte Katalysatorsuspension in solcher Menge
geleitet wird, daß die stündliche Belastung desl Katalysators mit Frischgas I bis
3 Normalliter pro Gramm Katalysatormetall beträgt. Unter diesen Bedingungen erreicht
die Mischung Synthesegas-Kontakt-Suspension ein konstantes Volumen, das 40 bis I00
°!o höher liegt als das Volumen der Suspension selbst.
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Das gebildete Flüssigkeits-Gasblasen-Schwebesystem besteht einerseits
aus relativ kleinen Gasblasen von Kugelgestalt mit annähernd gleichem Durchmesser,
die sich gegenseitig fast berühren, und andererseits aus der Katalysator-Ol-Susspension,
die die Zarischenräume zwischen den Gasblasen ausfüllt. Die Gasblasen bewegen sich
in diesem System mit geringerer Geschwindigkeit nach oben als gleich große Gasblasen
bei Gasdurchsätzen, die unterhalh der Ausbildung des vorbeschriebenen Systems liegen.
Innerhalb der Bein. -gungen dieses Systems ist die Berührungszeit des Gases mit
der Suspension- relativ groß und verringert sich mit steigender Gasdurchsatzmenge
nur um einen geringen Bruchteil dieser Steigerung, weil sich das System dabei ausdehnt
und damit der Gasweg entsprechend länger wird. Man kann deshalb auch bei gleichgehalteneSm
Gasdruck die durchzusetzende Gasmenge etwa innerhalb einer Zehnerpotenz variieren
und erreicht auch bei großer Gasdurchsatzmenge ohne Steigerung des Gasdruckes vollständigen
Gasumsatz, wozu nur wenig erhöhte Temperaturen erforderlich sind. -Das Gas wird
dabei am Boden oder in der Nähe des Bodens des Reaktionsgefäßes in bekannter Weise
durch Gasverteilerkörper aus gefrittetein Glas, keramischem Material oder Metall
durch Düsen gelochte Rohre oder Bleche in dws flüssige Medium eingeführt.
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Mit zunehmendem horizontalem Querschnitt des Reaktionsraumes wird
es aber immer schwieriger, einen ähnlich hohen Gasumsatz zu erreichen wie in schmalen
Räumen, was auf immer größer werdende Unterschiede in der Berührungszeit der einzelnen
Gasblasen mit der Suspension zurückgeführt werden kann.
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Es wurde nun gefunden, daß diese Nachteile dadurch beseitigt werden
können, daß man einen Reaktionsapparat mit durch flüssigkeitsdichte Trennwände in
senkrechte oben und unten offene Schächte von in vertikaler Richtung gesehen gleichbleibendem
Querschnitt unterteilten Reaktionsrauin benutzt, wobei das untere Ende der Trennwände
Durchbrechungen aufnveist oder so weit über dem Gasverteilerboden liegt, daß das
flüssige Medium am unteren Ende der Schächte kommunizieren kann und das obere Ende
der Trennwände in einem freien, gemeinsamen Gasraum über den Schächten mündet. Durch
diese Unterbeillung des flüssigen Mediums in im Vergleich zur Höhe enge Flüssigkeibssäulen,
die am Fuß aber miteinander in Verbindung stehen, wird bewirkt, daß das Flüssigkeits-Gas-Schwebesystem
sich an jedem Punkt des Reaktionsraulmquerschnittes der örtlichen Gaseintrittsgeschwindigkeit
durch entsprechende Höhenausdehnung (Aufblähung) anpaßt unter Aufrechterhaltung
des hydrostatischen Gleichgewichtes über dem, ganzen Querschnitt des Reaktionsraumes.
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Dementsprechend ist nun auch die Berührungszeit der Gasblasen mit
der Suspension, über den gesamten Querschnitt des Reaktionsraumes betrachtet, so
weitgehend einander angeglichen, daß, unter sonst gleichgehaltenen Bedingungen der
Gasumsatz und die Ausbeute an Reaktionsprodukten sowohl bezogen auf die Gasvolumeneinheit
als auch auf die Zeiteinheit ebenso hoch sind wie bisher in einzelnen engen Reakbionsapparaten.
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In einem Reaktionsraum mit großem Querschnitt ohne die erfindungsgemäße
5 chachteinteilung bricht an den Stellen bevorzugten Gaseintfitts das Gas in Form
turbulenter Sprudel durch Idie Flüssligkeitsschicht hindurch, weil die gemeinsame
Oberfläche den Aufbau des vertikal ausgedehnten FlüssigkeitsrGasblasen chwebesystems
unmöglich macht. Die hierbei auftretende Störung des hydrostatischen Gleichgewichts
führt zu einer Walzenbewegung der Flüssigkeit, die die Gasverteilun,g noch zusätzlich
verschlechtert (Abb. I).
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In Abb. 2 sind der im erfindungsgemäßen Reaktionsraum mit Schachteinteilung
sich einstellende
Gasverteilungszustand und die dabei herrschenden
hydrostatischen Verhältnisse schematisch dargestellt. Der horizontale Durchmesser
der Schächte richtet sich nach den vorgesehenen Betriebsverhältnissen und nach der
Art sonstiger, beispieisweise dem Wärmetransport dienender Einbauten. Reaktionsöfen
für die katalytische Hydrieru g von Oxvden des Kohlenstoffs oder für die Umsetzung
von Kohlenoxyd mit Wasserdampf werden zweckmäßig mit Schächten ausgerüstet, deren
Durchmesser zwischen etwa 50 und 500 mm liegt. Sehr hohe, über 10 m gehende Reaktionsräume
können auch mit Schächten von größerem Durchmesser ausgerüstet werden. Das untere
Ende der seitlich gegeneinander flüssigkeitsdicht getrennten Schächte liegt, je
nach der Höhe des Reaktionsraumes und der Zähigkeit der Suspension, zwischen etwa
5 und 200 cm über dem Gasverteiierboden. Das obere Ende der Schächte liegt um 20
bis IooO/o höher als die Höhe des flüssigen Mediums im Ruhezustand, d. h. ohne Gasdurchgang.
Der Querschnitt der Schächte kann kreisförmig, elliptisch oder eckig sein oder eine
andere sonstwie technisch geeignete Form haben. Bei Anwendung von Einbauten für
den Wärmetransport richtet sich der Querschnitt zweckmäßig nach diesen Gegebenheiten.
Bei d'er Durchführung von Reaktionen, die mit Wärmetönungen verbunden sind, können
in die einzelnen Schächte Heiz- oder Kühlelemente in der Weise eingebaut werden,
daß sie nicht mit den Schachtwandungen in Berührung stehen. Sie können aber auch
so angeordnet werden, daß ihre Begrenzungsflächen allein oder in Verbindung mit
Wärmeleitblechen die Schächte bilden (Abb. 3). Werden die Wärmetransp orteinbauten
durch den Gasverteilerboden hindurchgeführt und untereinander mit Wärmeleitblechen
verbunden, die gleichzeitig als -Umgrenzung der Schächte dienen, so sollen die Wärmeleitbleche
erfindungsgemäß mit ihrem unteren Ende oberhalb des Gasverteilerbodens liegen unter
Freilassung eines für den unbehinderten Durchgang der Suspension genügend hohen
Raumes.
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Die Gasverteilung wird vorzugsweise über den ganzen Gasverteilerboden
aus einer gemeinsamen Zuführungsleitung durchgeführt. Sie kann auch gebrennt durchgeführt
werden durch einzelne in den Ofen eingeführte Leitungen zu jedem einzelnen Schacht
(Abb. 4) oder einer Gruppe von Schächten (Abb. 5). In diese Falle wird jede von
außen in den Reaktionsraum führende Ein'zelleitung vorteilhaft mit einer eigenen
Gasmengenregel- und meßvornchtung versehen.
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Der erfindungsgemäße Reaktionsapparat stellt eine einzige, durch
geeignete, sehr einfache Einbauten unterteilte große Einheit dar, die die Wirkung
und Vorzüge einer selbständigen keinen Einheit mit dem Vorteil einer großen Einheit
verbindet. Bei dem Reaktionsapparat gemäß der Erfindung werden durch jeweils einen
einzigen Entlieerungs- und Füllstutzen sämtliche Schächte gleichzeitig bedient,
desgleichen wird der Füllinhalt des gesamten Apparates durch einen einzigen, in
einem beliebigen Schacht angebrachten Flüssigkeitsistandregler kontrolliert.
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Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreichte Wirkung ist vor
allem in ihrem Ausmaß überraschend. Beispieisweise stieg in einem zylindrischen
Reaktionsraum von 1500 mm Durchmesser bei gegebenen Bedingungen (Temperatur, flüssiges
Medium, Gasdruck, Gas art, Füllhöhe) durch Einbringen der Schächte gemäß- der Erfindung
die Berührungszeit des aus Düsen am Boden eingeleiteten Gases auf den 8fachen Betrag
der Berührungseeit ohne die Schächte.
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Es ist bereits ein Verfahren zulr Durchführung von Reaktionen zwischen
Gasen und festen pulverförmigen Stoffen bekannt, bei welchem der Mischraum durch
wellen- oder zickzackförmige Wände oder Ersatzteile in mehrere abwechselnd erweiterte
und verengte Führungswege unterteilt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird hiingegen der Reaktionsofen
in einzelne Schächte unterteilt, die, in vertikaler Richtung gesehen, von gleichbleibendem
Querschnitt sind.
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Es sind ferner rohrförmige Einbauten in Syntheseöfen bekannt, die
in komplizierter Weise mit Leitblechen versehen sind, um eine verbesserte Wa..rmeabfuhr
aus der Katalysatormasse zu erzielen. Auch durch diese Maßnahmen wird nicht die
erfindungsgemäe Unterteilung des Reaktionisraumes in senkrechte Schächte von gleichbileibendem
Querschnitt erzielt.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, zur Durchführung von katalytischen
Gasumsetzungen an fest angeordneten, gekörnten Kontakten den Reaktionsraum durch
in Strömungsrichtung des umzusetzenden Gasgemisches liegende parallele und gegeneinander
gasdichte Kanäle aufzuteilen, wobei das umzusetzende Gasgemisch in die Kanäle von
einem allen Kanälen gemeinsamen Gaszuführungsraum eingeleitet wird. Die Gasvertailung
für die einzelnen Kanäle erfolgt hierbei. durch besondere, die Katalysatorfüllung
tragende - Einbauten ecst innerhalb der mit festem rtuendem Katalysator gefüllten
Kanäle und damit oberhalb des unteren Endes der Kanäle. Zwischen dy einzelnen Kanälen
bestehende oder während des Betriebes auftretende Unterschiede der h,inf«9urchströmenden
Gasmenge versuchte man durch Nachfüllen von Katalysator in die Kanäle mit größtem
Gasdurchgang während des Betriebes auszugleichen. Vorrichtungen dieser Art sind
für in Gegenwart eines flüssigen Mediums durchzuführende Gasreaktionen ungieeignet.
Vielmehr ist es erforderlich, daß die Schächte außerdem so weit über dem Gasverteilerboden
liegen bzw. in Boden nähe durchbrochen sind, daß in der Nähe des Bodens die Flüssigkeiqtssäulen
aller Schächte in einem gemeinsamen Sumpf miteinander kommuni zieren. IDer Erfindungseffekt
wird nur gewährleistet, wenn durch flüssigkeitsdichten Abschluß der Schächte gegeneinander
und durch größere Höhe der Schächte, als dem höchsten Stand der Flüssigkeits«Gas-Mischung
im Betriebszustand entspricht, für den Schacht ein individueller Flüssigkeitsspiegel
gegenüber
dem gemeinsamen Gas raum über der Flüssigkeit gewährleistet ist. Nur durch diese
Art der Anordnung ist das hydrostatische Gleichgewicht im Flüssigkeitssumpf unterhalb
der Schächte sichergestellt, das seinerseits die Vorbedingung für einen über den
gesamten GasverteiAerboden ausgeglichenen Gaseintritt durch den Sumpf in die Schächte
ist.
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PATENTANSPROCHE: I. Reaktionsapparat zur Durchführung von exothermen
oder endothermen Gasreaktionen in Gegenwart eines in einem flüssigen Medium feinverteilten
Katalysators, dem das Gas von unten zugeführt wird, mit durch flüslsigkeiitsdichte
Trennwände in senkrechte oben und unten offene Schächte von in vertikaler Richtung
gesehen gleichbleibendem Querschnitt unterteiltem Reaktionsraum, dadurch gekennzeichnet,
daß das untere Ende der Trennwände Durchbrechungen aufweist oder so weit über dem
Gasverteiierboden liegt, daß das flüssige Medium am unteren Ende der Schächte kommunizieren
kann und das obere Ende der Trennwände in einem freien, gemeinsamen Gasraum über
den Schächten mündet.