DEP0046187DA - Verfahren zur Abführung der Reaktionswärme bei exothermen katalytischen Reaktionen in der Gas- oder Dampfphase - Google Patents

Description

Bekanntlich bereitet es bei exothermen Reaktionen erhebliche Schwierigkeiten, die bei der Umsetzung auftretende Wärme rechtzeitig und in solchem Umfang abzuführen, dass keine, auch nicht örtliche, Überhitzungen auftreten, da diese Schädigungen des Katalysators oder unerwünschte Nebenreaktionen oder beides zur Folge haben können. Man hat daher zur Wärmeregulierung bei exothermen katalytischen Reaktionen bereits unter Verwendung von im Kreislauf geführten Gasen, mit direkter oder indirekter Kühlung durch Einbau von Kühlschlangen usw. in den Katalysator, die Wärme abzuführen versucht, oder auch den Katalysator in lange Röhren eingefüllt, die von einem Kühlmedium umgeben waren. Alle diese Ausführungsformen erfordern entweder einen grossen Materialaufwand oder garantieren bei einfacherer Ausführung doch nicht das erwünschte, oftmals kleine Temperaturgefälle im Katalysator.

Es wurde nun gefunden, dass man die Reaktionswärme bei exothermen katalytischen Reaktionen in der Gas- oder Dampfphase sehr wirkungsvoll abführen kann, wenn man in den in der ganzen Schichthöhe in auf- und abwirbelnder Bewegung gehaltenen, fein verteilten Katalysator verdampfende Flüssigkeiten einspritzt. Beim Verdampfen der eingespritzten Flüssigkeiten im Katalysator wird die bei der exothermen Reaktion frei werdende Wärme soweit verbraucht, dass eine unerwünschte Temperatursteigerung nicht mehr eintreten kann. Es gelingt somit, im Katalysator ein sehr kleines Temperaturgefälle aufrecht zu erhalten, wodurch die eigentliche Reaktion unter den optimalen Bedingungen abläuft. Man kann sowohl inerte Flüssigkeiten als auch verdampfbare Reaktionsteilnehmer in den Katalysator einspritzen, wichtig ist, dass man die Mengen der einzuspritzenden Flüssigkeiten so hält, dass die freiwerdende Bildungswärme vollständig aufgenommen wird. Besonders vorteilhaft hat sich Wasser mit seiner hohen Verdampfungswärme erwiesen. Man kann das Verfahren sowohl drucklos als auch unter Druck ausführen.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ruht darin, dass man es in sehr einfachen Apparaten, die im wesentlichen aus einem entsprechend dimensionierten Rohr ohne Einbauten bestehen, durchführen und verhältnismässig viel Flüssigkeit einspritzen kann, wodurch weit mehr Wärme abgeführt wird, als bei fest angeordnetem Kontakt und indirekter Kühlung oder Kreisgaskühlung. Dadurch ergeben sich, soweit der Kontakt dies zulässt, wesentlich grössere Raumzeitausbeuten.

Ausserdem kann man in den Fällen, in denen bisher grosse Verdünnungen durch das Kreisgas nötig waren, wesentlich konzentrierter arbeiten, da die Wärmeabfuhr durch Verdampfung ungleich viel wirksamer ist als durch Gase. Dies bedeutet wesentliche Kraftersparnis und eine viel leichtere Abtrennung der Reaktionsprodukte.

Unter Umständen ergibt sich dabei die Möglichkeit, durch Wahl geeigneter Flüssigkeiten gleichzeitig bei der Reaktion eine Gleichgewichtsverschiebung im gewünschten Sinn zu erzielen.

Beispiel 1

In einem Reaktionsbehälter mit zweckmässig konischen Boden befindet sich etwa 1 m(exp)3 eines fein gepulverten Nickelkontaktes, der auf 180° erhitzt ist. Man bläst von unten stündlich etwa 400 - 600 m(exp)3 Wasserstoff und 330 kg verdampften Crotonaldehyd von ca 100° derart ein, dass der Kontakt in der ganzen Schichthöhe in auf- und abwirbelnde Bewegung gerät. Zur Abführung der bei der Hydrierung frei werdenden Wärme (ca. 190 000 Kalorien) werden 350 kg auf 100° erhitztes Wasser eingespritzt, wodurch erreicht wird, dass die Reaktionstemperatur sehr genau auf 180° plus/minus 5° gehalten werden kann. Mann kann auch so arbeiten, dass man nach Ingangsetzen der Reaktion einen Teil der Reaktionswärme zum Verdampfen des Crotonaldehyds benutzt, wofür etwa 50 000 Kalorien benötigt werden, und den Rest der Reaktionswärme durch Einspritzen von etwa 260 kg Wasser von 100° beseitigt. Zweckmässig werden alle in den Reaktionsraum eintretenden Gase und Dämpfe zur Bewegung des Katalysators verwendet. Die aus dem Reaktionsraum entweichenden Gase und Dämpfe gelangen über einen Abscheidet, in dem der gegebenenfalls mitgerissene Katalysator abgeschieden wird, in einen Dephlegmator, in dem das Wasser und das entstehende Butanol abgeschieden werden. Der nicht umgesetzte Wasserstoff kann erneut zur Hydrierung verwendet werden.

Beispiel 2

Durch ein zylindrisches Rohr, das etwa 2 m(exp)3 aktiviertes Eisenoxyd als Kontakt (Korngrösse kleiner 0,5 mm) enthält, leitet man stündlich 1500 m(exp)3 Wassergas der ungefähren Zusammensetzung CO : H(sub)2 = 1 : 1, dem durch Berieseln mit heissem Wasser und Dampfzusatz ca 2000 m(exp)3 Wasserdampf zugemischt wurden und das im Wärmeaustauschverfahren auf etwa 200° vorgewärmt wurde, derart ein, dass der Kontakt in der ganzen Schichthöhe eine auf- und abwirbelnde Bewegung ausführt. Nach Erreichung der Reaktionstemperatur von 450° werden stündlich 400 kg Wasser eingespritzt, wodurch sich die gewünschte Reaktionstemperatur sehr gut einhalten lässt. Man erhält nach der Abkühlung ein Gas, das neben Wasserstoff und Kohlensäure nur noch die dem Gleichgewicht entsprechende Kohlenoxydmenge (ca 1 - 2 %) enthält und nach den üblichen Methoden vom Kohlenoxyd befreit werden kann.

In ähnlicher Weise lassen sich andere katalytische exotherme Reaktionen durchführen, z.B. Hydrierung von Acetylen zu Äthylen, Synthese von Acetaldehyd aus Acetylen und Wasserdampf, Gewinnung von Butylaldehyd aus Crotonaldehyd durch Hydrieren mit Nickelkontakten oder von Kohlenwasserstoffen aus Kohlenoxyd und Wasserstoff mit Kobalt- oder Eisenkontakten.

Claims (1)

1. Verfahren zur Abführung der Reaktionswärme bei exothermen katalytischen Reaktionen in der Gas- oder Dampfphase, dadurch gekennzeichnet, dass man in der ganzen Schichthöhe in auf- und abwirbelnder Bewegung gehaltenen, fein verteilten Katalysator verdampfende Flüssigkeiten einspritzt.