EP2300144A1 - Reaktionsbehälter und verfahren zur verwendung - Google Patents

Reaktionsbehälter und verfahren zur verwendung

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EP2300144A1
EP2300144A1 EP09780121A EP09780121A EP2300144A1 EP 2300144 A1 EP2300144 A1 EP 2300144A1 EP 09780121 A EP09780121 A EP 09780121A EP 09780121 A EP09780121 A EP 09780121A EP 2300144 A1 EP2300144 A1 EP 2300144A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reaction
internals
sulfur
pressure
gaseous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09780121A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hubert REDLINGSHÖFER
Jan-Olaf Barth
Caspar-Heinrich Finkeldei
Hans Joachim Hasselbach
Stephan Kretz
Harald Heinzel
Christoph Weckbecker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Evonik Degussa GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evonik Degussa GmbH filed Critical Evonik Degussa GmbH
Priority to EP16165339.9A priority Critical patent/EP3067115B1/de
Publication of EP2300144A1 publication Critical patent/EP2300144A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/0242—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid flow within the bed being predominantly vertical
    • B01J8/025—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid flow within the bed being predominantly vertical in a cylindrical shaped bed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J10/00—Chemical processes in general for reacting liquid with gaseous media other than in the presence of solid particles, or apparatus specially adapted therefor
    • B01J10/005—Chemical processes in general for reacting liquid with gaseous media other than in the presence of solid particles, or apparatus specially adapted therefor carried out at high temperatures in the presence of a molten material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2455—Stationary reactors without moving elements inside provoking a loop type movement of the reactants
    • B01J19/246—Stationary reactors without moving elements inside provoking a loop type movement of the reactants internally, i.e. the mixture circulating inside the vessel such that the upward stream is separated physically from the downward stream(s)
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B17/00—Sulfur; Compounds thereof
    • C01B17/16—Hydrogen sulfides
    • C01B17/161—Preparation from elemental sulfur
    • C01B17/162—Preparation from elemental sulfur from elemental sulfur and hydrogen

Definitions

  • the invention relates to a reaction vessel, suitable for carrying out an exothermic reaction of a liquid reactant with a gaseous reactant to a gaseous reaction product at elevated temperature and elevated pressure, wherein the residence time of the gaseous reactant in the reaction vessel is increased by non-pressurized internals.
  • hydrogen sulfide is preferably prepared from sulfur and hydrogen.
  • the reaction vessel contains internals which increase the residence time of the hydrogen in the liquid sulfur, wherein the gas is collected in parts of these internals and then redistributed in the liquid sulfur.
  • hydrogen sulfide is an industrially important intermediate, for example for the synthesis of methylmercaptan, dimethyl sulfide, dimethyl disulfide, sulfonic acids, dimethyl sulfoxide, dimethyl sulfone, as well as numerous sulfidation reactions.
  • Hydrogen sulphide from sulfur and hydrogen is above all the temperature control. High temperatures are necessary to achieve an equilibrium state where a molar ratio of hydrogen: sulfur in the gas phase of about 1: 1 is established. Only this allows the synthesis of pure hydrogen sulfide. With increasing pressure, the temperature must be increased sharply according to the vapor pressure curve of sulfur in order to achieve the desired molar ratio of 1: 1 in the gas phase. There are already slight differences in the pressure of z. B. 1 bar and less of great importance.
  • CSSR 190792 describes a process variant for the production of hydrogen sulfide, wherein high reaction temperatures are avoided by a comparatively complicated series connection of several reactors. High temperatures are avoided there especially due to corrosion problems.
  • Czechoslovakia 190793 is reported from strong corrosion of the plant from temperatures of 400 0 C.
  • the object of the invention is to provide a reaction vessel and a process for the production of hydrogen sulfide from sulfur and hydrogen at pressures> 5 bar, without causing high temperatures severe corrosion of pressure-bearing parts.
  • the invention relates to reaction vessels, suitable for carrying out an exothermic reaction of a liquid reactant with one or more, in particular a gaseous reactant to a gaseous Reaction product at elevated temperature and elevated pressure, wherein the residence time of the / of the gaseous reactants in the reaction vessel is increased by non-pressurized internals.
  • liquid reactant generally passes into the gaseous state before the reaction.
  • the non-pressurized internals are surrounded by the liquid reactants.
  • Reactor concepts have now been found for such exothermic syntheses at higher pressure that help avoid high overpressure temperatures on pressurized parts.
  • local overheating temperatures in the area of the internals are used selectively in order to enable rapid and complete conversion of the hydrogen with a high space-time yield.
  • the heat of reaction for the heating and evaporation of the starting materials in this case sulfur, can be used.
  • the starting materials themselves can be used.
  • the sulfur-saturated in the liquid sulfur phase finely distributed hydrogen is collected there again as a contiguous gas phase.
  • the residence time of the gaseous reactants in these gas collection areas or gas trap constructions is significant as compared to the residence time of rising gas bubbles in reactors without internals, i. increased by about the factor 3 to 20, especially 5 to 15. If the residence time of the hydrogen in the liquid sulfur is too short, hydrogen enriched with gaseous sulfur will collect in the region above the liquid sulfur in the reactor and convert to hydrogen sulphide. It follows that reaction vessels without the inventive fittings by the amount of heat released above the liquid sulfur strongly heat, because the energy can not be dissipated satisfactorily. According to the invention, due to the increased residence time in the region of the reactor filled with liquid sulfur, no reaction mixture enters the space above the liquid sulfur. According to the invention, therefore, the resulting amount of heat only within the gas collection areas or
  • the collection and distribution of the gas phase within a reaction vessel can take place by means of the arrangement of the internals, or preferably several times. In particular, three to one hundred, preferably three to fifty gas collection areas are arranged one above the other. In between, gas distributors can be installed.
  • the residence time of the gaseous reactants hydrogen and sulfur, in particular of the hydrogen in an installation acting as a gas collection area or gas capture area is preferably more than 0.5 s to 60 s, particularly preferably between 2 and 60 s, in particular between 3 and 30 s.
  • the present in the gas collection areas or the internals temperatures can be more than 550 0 C. These temperatures were not tolerable for the pressure-bearing jacket for corrosion and safety reasons. Become several gas catchments in one
  • Reaction container arranged, this is preferably done in the flow direction of the rising hydrogen.
  • the size of the gas collection or gas capture volumes of the individual internals may increase, decrease or be constant. Preference is given to an increase of the collection volumes in the flow direction in order to reduce the z.
  • the internals are surrounded by liquid sulfur.
  • the gas collection areas and associated internals are cooled by the surrounding liquid sulfur.
  • a flow distribution of the liquid reactant realized in particular of sulfur, which allows a circulation of sulfur and thus a good heat distribution. Particular attention is paid in the liquid-filled space between the internals and the pressure-bearing jacket on a sulfur circulation. Also by the location of supply of the fresh sulfur and / or by recycling unreacted sulfur, the circulation and the heat balance in the reactor can be controlled in a targeted manner.
  • the sulfur additions and returns are preferred for
  • the gas collection areas or gas catch areas and associated internals are preferably fixed to one or more inner tubes and are in the pressure vessel.
  • methods known to those skilled in the art, such as welding, are used.
  • suitable filler metals for surface treatment or for joining components such as
  • Welding consumables are used.
  • the use of special materials or ceramics is advantageous here due to high temperatures. If conventional stainless steel is used for the gas-trapping constructions, this is preferably carried out there with a corrosion allowance of more than 1 mm.
  • the internals are mounted so that they can be pulled from the top of the reactor, for example with the aid of a crane.
  • the invention relates to a process for the exothermic reaction of a liquid reactant with one or more gaseous reactants to a gaseous reaction product at elevated temperature and elevated pressure in a reaction vessel in which the residence time of the gaseous reactant in the reaction vessel is increased by non-pressurized internals, and the non-pressurized internals are surrounded by the liquid reactant.
  • the invention also relates to the production of hydrogen sulfide from hydrogen and sulfur at elevated pressure and high temperatures, using the reaction vessel according to the invention.
  • the temperatures in the synthesis of hydrogen sulfide are in the range of 300 to 600 0 C, in particular about 400 to 600 ° C.
  • the temperature is below the temperature adjusting to the internals, preferably not> 450 0 C, more preferably less than 450 0 C.
  • the gas collection areas or gas capture areas or the internals are preferably temperatures above 450 0 C. before, in particular up to 600 0 C.
  • the non-liquid sulfur covered areas of the reactor are preferably above the liquid
  • the container preferably has a cylindrical shape.
  • the non-pressure-bearing internals acting as gas collecting areas or gas-catching areas may be present, for example, in the form of inverted cups or caverns, floor constructions with gas collectors and gas distributors, fillings of fillers or hollow bodies, packings, monoliths, knitted fabrics or combinations thereof.
  • FIG. 1 shows an example of an embodiment
  • the skilled person is free in the selection of the process steps to be combined for the production of hydrogen sulfide, whereby more of the reaction vessels according to the invention and various apparatus for the separation of by-products or unused starting materials can be combined.
  • the process is carried out at a pressure of 5 to 20 bar and passes hydrogen at this pressure in the reaction vessel according to the invention in liquid sulfur.
  • reaction according to the invention in particular to hydrogen sulphide, can proceed according to the invention also in the presence of a heterogeneous catalyst known per se.
  • a heterogeneous catalyst known per se.
  • It is preferably a sulfur-containing hydrogenation catalyst, which preferably consists of a support such as silica, alumina, zirconia or titanium oxide and one or more of the active elements molybdenum, nickel, tungsten, iron, vanadium, cobalt, sulfur, selenium, phosphorus, Containing arsenic, antimony and bismuth.
  • a sulfur-containing hydrogenation catalyst which preferably consists of a support such as silica, alumina, zirconia or titanium oxide and one or more of the active elements molybdenum, nickel, tungsten, iron, vanadium, cobalt, sulfur, selenium, phosphorus, Containing arsenic, antimony and bismuth.
  • Catalyst can be used both in the liquid phase and in the gas phase.
  • the catalyst can be in the form of pellets, as a suspended powder in liquid sulfur, as a coating on fullers, monoliths or knits.
  • the catalyst may be attached to one or more locations in the reaction vessel. Preferably, the catalyst is mounted in the internals acting as gas collecting areas. To ensure a complete hydrogen conversion is in a further embodiment of the invention a
  • the impurities may be, for example, carbon dioxide, hydrogen sulfide, water, methanol, methane, ethane, propane, or other volatile hydrocarbons. Preference is given to using hydrogen having a purity of greater than 65% by volume to 100% by volume, of which preferably more than 98% to 100% by volume of the hydrogen used is converted into hydrogen sulphide.
  • Reaction products are preferably not separated before the synthesis of methyl mercaptan, but left in the starting material mixture.
  • the sulfur used may contain different impurities.
  • the reaction container according to the invention avoids the occurrence of excess temperatures on pressure-bearing parts, thereby increasing plant safety, because reduced corrosion in this area minimizes the risk of material failure and the likelihood of accidents due to the escape of hazardous substances. This is of particular importance for very toxic substances such as hydrogen sulfide.
  • Comparative Example 1 was repeated, increasing the height of the liquid sulfur to 4 m. The value of the maximum temperature above the liquid sulfur remained. The material samples also showed strong corrosion phenomena.
  • Comparative Example 2 was repeated, wherein in the liquid sulfur 15 wt .-% of a powdered C03O4M0O3 / AI2O3 catalyst were suspended. The value of the maximum temperature above the liquid sulfur remained. The material samples also showed strong corrosion phenomena.
  • Comparative Example 2 was repeated, wherein in the region of the liquid sulfur three gas collecting areas in the form of inverted cups were attached. There, the rising gas was collected with a residence time in the range of 10 - 50 s. Above the liquid sulfur, the same temperature was measured as in the liquid sulfur. There was no overheating to watch. Furthermore, no corrosion phenomena were seen on the material samples above the liquid sulfur.
  • GC analysis the degree of conversion of hydrogen in the product gas to> 60% (at 400 0 C sulfur temperature, analogously to the comparative example), at 420 0 C to> 90% and at 440 ° C to> 96%) was determined.
  • Comparative Example 2 was repeated, incorporating in the region of the liquid sulfur a bedding of ceramic full bodies with an outer diameter of 5 mm and a volume of 70% slug of the pellets.
  • the value of the maximum temperature above the liquid sulfur showed only 5 0 C more than the specified sulfur temperature of 397 0 C. Furthermore, were on the material samples above the sulfur no

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktionsbehälter, in dem Schwefelwasserstoff aus Schwefel und Wasserstoff hergestellt wird, wobei der Reaktionsbehälter teilweise oder vollständig aus einem gegen das Reaktionsgemisch, deren Verbindungen, bzw. Elemente beständigen Werkstoff besteht, der auch bei hohen Temperaturen seine Beständigkeit behält.

Description

Reaktionsbehälter und Verfahren zur Verwendung
Die Erfindung betrifft einen Reaktionsbehalter, geeignet zur Durchfuhrung einer exothermen Umsetzung eines flussigen Reaktanden mit einem gasformigen Reaktanden zu einem gasformigen Reaktionsprodukt bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, bei dem man durch nicht drucktragende Einbauten die Verweilzeit des gasformigen Reaktanden im Reaktionsbehalter erhöht.
In einem derartigen Reaktionsbehalter wird bevorzugt Schwefelwasserstoff aus Schwefel und Wasserstoff hergestellt. Der Reaktionsbehalter enthalt Einbauten, die die Verweilzeit des Wasserstoffs im flussigen Schwefel erhohen, wobei das Gas in Teilen dieser Einbauten gesammelt und anschließend wieder im flussigen Schwefel verteilt wird.
Insbesondere Schwefelwasserstoff ist ein industriell wichtiges Zwischenprodukt zum Beispiel für die Synthese von Methylmercaptan, Dimethylsulfid, Dimethyldisulfid, SuIfonsauren, Dimethylsulfoxid, Dimethylsulfon sowie für zahlreiche SuIfidierungsreaktionen . Es wird heute überwiegend aus der Erdöl- und Erdgasaufbereitung sowie durch Reaktion von Schwefel und Wasserstoff gewonnen.
Die Synthese von Schwefelwasserstoff aus den Elementen Wasserstoff und Schwefel erfolgt üblicherweise durch
Einleiten von Wasserstoff in flussigen Schwefel und einem nachgeschalteten Reaktionsraum in der Gasphase. Dabei sind sowohl katalysierte als auch unkatalysierte Verfahren bekannt. Die Synthese des Schwefelwasserstoffs erfolgt gewohnlich in der Gasphase bei Temperaturen zwischen 300 und 600°C und bei Drucken zwischen 1 und 30 bar. Die industrielle Produktion von Schwefelwasserstoff aus den Elementen verlauft nach Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2002 bei Temperaturen von 450 °C und einem Druck von 7 bar.
In der GB 1193040 ist die unkatalysierte Synthese von Schwefelwasserstoff bei relativ hohen Temperaturen von 400 bis 600 °C und Drucken von 4 bis 15 bar beschrieben. Es wird angegeben, dass die erforderliche Temperatur vom Druck bestimmt wird, bei dem die Synthese ablaufen soll. Bei einem Druck von 9 bar sind demnach etwa 500 0C erforderlich . Ein wesentlicher Punkt bei der Herstellung von
Schwefelwasserstoff aus Schwefel und Wasserstoff ist vor allem die Temperaturfuhrung. Hohe Temperaturen sind notwendig, um einen Gleichgewichtszustand zu erreichen, bei dem sich ein Molverhaltnis Wasserstoff : Schwefel in der Gasphase von etwa 1:1 einstellt. Erst dies ermöglicht die Synthese von reinem Schwefelwasserstoff. Mit zunehmendem Druck ist die Temperatur entsprechend der Dampfdruckkurve von Schwefel stark zu erhohen, um das angestrebte Molverhaltnis von 1:1 in der Gasphase zu erreichen. Dabei sind schon geringe Unterschiede im Druck von z. B. 1 bar und weniger von großer Bedeutung.
CSSR 190792 beschreibt eine Verfahrensvariante zur Herstellung von Schwefelwasserstoff, wobei hohe Reaktionstemperaturen durch eine vergleichsweise aufwendige Reihenschaltung von mehreren Reaktoren vermieden werden. Hohe Temperaturen werden dort speziell aufgrund von Korrosionsproblemen vermieden. In CSSR 190793 wird von starker Korrosion der Anlage ab Temperaturen von 400 0C berichtet .
Auch in US 4094961 wird bei der Synthese von
Schwefelwasserstoff von schwerer Korrosion bei Temperaturen von 440 bis 540 0C berichtet. Deshalb wird die Synthese dort nur bei Temperaturen unterhalb von 440 0C durchgeführt . Der Artikel von B. Glaser, M. Schütze, F. Vollhardt zu „Auswertung von Daten zum H2S-Angriff auf Stahle bei verschiedenen Temperaturen und Konzentrationen", Werkstoffe und Korrosion 42, 374-376, 1991 beschreibt, dass für Anlagen, in denen ein korrosiver Angriff durch H2S bei erhöhten Temperaturen zu befurchten ist, dieser die Weiterentwicklung solcher Anlagen wesentlich behindert. Insbesondere bleibt bisher der Übergang zu höheren Temperaturen und damit zu einer wirtschaftlichen Verbesserung der entsprechenden Verfahren verschlossen, da in diesem Fall bereits nach kurzen Zeiten massive Korrosionsschaden und damit ein Ausfall der Anlagen eintreten. Als Haupteinflussfaktoren auf die Korrosion werden die Temperatur und die H2S-Konzentration genannt. Je nach weiterem Verwendungszweck von Schwefelwasserstoff kann es von großem Vorteil sein, den Schwefelwasserstoff bei höherem Druck bereitzustellen und nicht separat verdichten zu müssen.
Für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens werden möglichst niedrige Investitions- und Betriebskosten gefordert. Hier stellt insbesondere der Aufwand für Apparate und Maschinen aber auch der Energieaufwand zur Synthese bzw. Aufbereitung des Eduktgasgemisches einen hohen Kostenfaktor dar. Z.B. werden große elektrische Leistungen für den Betrieb von Verdichtern und von Heiz- und Kuhlkreislaufen benotigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reaktionsbehalter und ein Verfahren für die Herstellung von Schwefelwasserstoff aus Schwefel und Wasserstoff bei Drucken > 5 bar bereitzustellen, ohne dass durch hohe Temperaturen starke Korrosion an drucktragenden Teilen auftritt.
Die Erfindung betrifft Reaktionsbehalter, geeignet zur Durchfuhrung einer exothermen Umsetzung eines flussigen Reaktanden mit einem oder mehreren, insbesondere einen gasformigen Reaktanden zu einem gasformigen Reaktionsprodukt bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, bei dem man durch nicht drucktragende Einbauten die Verweilzeit des/der gasformigen Reaktanden im Reaktionsbehalter erhöht.
Dabei ist dem Fachmann klar, dass der flussige Reaktand im allgemeinen vor der Umsetzung in den gasformigen Zustand übergeht. Die nicht drucktragenden Einbauten sind von den flussigen Reaktanden umgeben.
Bezogen auf die Herstellung von Schwefelwasserstoff erhohen die Einbauten, die Verweilzeit, insbesondere des
Wasserstoffs im flussigen Schwefel. Der/die gasformigen Reaktanden wird/werden zumindest teilweise in diesen Einbauten gesammelt und verteilen sich anschließend wieder im flussigen Schwefel, soweit sie nicht zu Schwefelwasserstoff umgesetzt wurden.
Wahrend des Einperlens von Wasserstoff in flussigen Schwefel wird der Wasserstoff mit gasformigem Schwefel gesattigt und in einer stark exotherme Reaktion in der Gasphase zu Schwefelwasserstoff umgesetzt. Dies kann durch einen Katalysator beschleunigt werden oder auch ohne
Katalysator bei deutlich höheren Temperaturen erfolgen. Um auch bei hohem Druck ausreichend Schwefel in die Gasphase zu überfuhren und vollständigen Umsatz von Wasserstoff zu erreichen, sind hohe Temperaturen, bevorzugt von über 4000C erforderlich. Durch die Exothermie der Reaktion entsteht jedoch so viel Warme, dass bei einer Temperatur des flussigen Schwefels von ca. 4000C lokal in Reaktorbereichen oberhalb des flussigen Schwefels nach dem Stand der Technik Temperaturen deutlich > 4500C auftreten. Diese fuhren zu einer starken Belastung der Werkstoffe und Korrosion und machen eine technisch aufwendige Kühlung notwendig.
Es wurden jetzt Reaktorkonzepte für derartige exotherme Synthesen bei höherem Druck gefunden, die hohe Ubertemperaturen an drucktragenden Teilen vermeiden helfen. Gleichzeitig werden lokale Ubertemperaturen im Bereich der Einbauten gezielt genutzt, um eine schnelle sowie vollständige Umsetzung des Wasserstoffs mit hoher Raum- Zeit-Ausbeute zu ermöglichen. Mit diesem Reaktorkonzept laßt sich darüber hinaus die Reaktionswarme für die Erwärmung und Verdampfung der Edukte , hier Schwefel, nutzen. Für die Warmeintegration können so die Edukte selbst genutzt werden.
Durch die erfindungsgemaße Anordnung von nicht drucktragenden Einbauten wird der mit Schwefel gesattigte in der flussigen Schwefelphase fein verteilte Wasserstoff wieder als zusammenhangende Gasphase dort gesammelt. Die Verweilzeit der gasformigen Reaktanden in diesen Gassammelbereichen bzw. Gasfangkonstruktionen ist im Vergleich zur Verweilzeit von aufsteigenden Gasblasen in Reaktoren ohne Einbauten deutlich, d.h. um etwa den Faktor 3 bis 20, insbesondere 5 bis 15 erhöht. Ist die Verweilzeit des Wasserstoffs im flussigen Schwefel zu kurz, sammelt sich mit gasformigem Schwefel angereicherter Wasserstoff im Bereich oberhalb des flussigen Schwefels im Reaktor und setzt sich zu Schwefelwasserstoff um. Daraus folgt, dass sich Reaktionsbehalter ohne die erfindungsgemaßen Einbauten durch die freiwerdende Wärmemenge oberhalb des flussigen Schwefels stark erhitzen, da die Energie nicht zufriedenstellend abgeführt werden kann. Erfindungsgemaß tritt aufgrund der erhöhten Verweilzeit im mit flussigem Schwefel gefüllten Bereich des Reaktors kein Reaktionsgemisch in den Raum oberhalb des flussigen Schwefels ein. Erfindungsgemaß fuhrt daher die entstehende Wärmemenge nur innerhalb der Gassammelbereiche bzw.
Gasfangkonstruktion zu einer Erhöhung der Temperatur über 4500C, welche an dieser Stelle das Fortschreiten der Reaktion und die Verdampfung von Schwefel fordert. Durch die lokale Begrenzung der Umsetzung und damit der entstehenden Ubertemperaturen auf den Bereich der Einbauten wird der gesamte drucktragende Reaktionsbehalter und besonders der Bereich oberhalb des flussigen Schwefels nicht auf Temperaturen > 4500C erhitzt und so eine durch diese erhöhten Temperaturen bedingte Schädigung des Werkstoffs vermieden. Erfindungsgemaß kann das Sammeln und Verteilen der Gasphase innerhalb eines Reaktionsbehalters durch die Anordnung der Einbauten ein oder bevorzugt mehrmals erfolgen. Insbesondere werden drei bis hundert, bevorzugt 3 bis 50 Gassammelbereiche übereinander angeordnet. Dazwischen können Gasverteiler installiert werden.
Die Verweilzeit der gasformigen Reaktanden Wasserstoff und Schwefel, insbesondere des Wasserstoffs in einem als Gassammelbereich oder Gasfangbereich wirkenden Einbau betragt bevorzugt mehr als 0,5 s bis 60 s, besonders bevorzugt zwischen 2 und 60 s, insbesondere zwischen 3 und 30 s. Die in den Gassammelbereichen bzw. den Einbauten vorliegenden Temperaturen können mehr als 550 0C betragen. Diese Temperaturen waren für den drucktragenden Mantel aus Korrosions- und Sicherheitsgründen nicht tolerierbar. Werden mehrere Gasfangkonstruktionen in einem
Reaktionsbehalter angeordnet, so erfolgt dies bevorzugt in Stromungsrichtung des aufsteigenden Wasserstoffs. Die Große der Gassammei- oder Gasfangvolumina der einzelnen Einbauten kann dabei zu-, abnehmen oder konstant sein. Bevorzugt wird eine Zunahme der Sammelvolumina in Stromungsrichtung, um die mit der Verringerung z. B. der Wasserstoffkonzentration im Wasserstoff-Schwefel-Gasgemisch sich verlangsamende Reaktionszeit durch eine höhere Verweilzeit auszugleichen.
Zur Vermeidung von Temperaturen über 4500C an den drucktragenden Behalterwanden durch die Exothermie der Reaktion sind die Einbauten von flussigem Schwefel umgeben. Die Gassammelbereiche und zugehörige Einbauten werden durch den umgebenden flussigen Schwefel gekühlt.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird eine Stromungsverteilung des flussigen Reaktanden, insbesondere des Schwefels realisiert, welche eine Zirkulation des Schwefels und somit eine gute Warmeverteilung ermöglicht. Insbesondere im flussigkeitsgefullten Raum zwischen den Einbauten und dem drucktragenden Mantel wird auf eine Schwefel-Zirkulation geachtet. Auch durch den Ort der Zufuhrung des frischen Schwefels und/oder durch Rückführungen von nicht umgesetztem Schwefel kann die Zirkulation und der Warmehaushalt im Reaktor gezielt gesteuert werden. Bevorzugt werden die Schwefelzu- und ruckfuhrungen zur
Kühlung der Innenseite des drucktragenden Mantels und zur Kühlung des Produktgases eingesetzt.
Die Gassammelbereiche oder Gasfangbereiche und zugehörige Einbauten sind bevorzugt an einem oder mehreren Innenrohren fixiert und stehen im Druckbehalter . Für die Fertigung und Montage des Reaktionsbehalters werden dem Fachmann bekannte Verfahren wie beispielsweise Schweißen verwendet.
In diesem Zusammenhang können ebenfalls geeignete Zusatzwerkstoffe zur Oberflachenbehandlung oder zum Verbinden von Bauteilen wie beispielsweise
Schweißzusatzwerkstoffe eingesetzt werden. Auch der Einsatz von Sonderwerkstoffen oder Keramiken ist hier aufgrund hoher Temperaturen vorteilhaft. Wird für die Gasfangkonstruktionen gebrauchlicher Edelstahl eingesetzt, so wird dieser dort bevorzugt mit einem Korrosionszuschlag von mehr als 1 mm ausgeführt.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung sind die Einbauten so angebracht, dass sie von oben aus dem Reaktor gezogen werden können, beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Krans .
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur exothermen Umsetzung eines flussigen Reaktanden mit einem oder mehreren gasformigen Reaktanden zu einem gasformigen Reaktionsprodukt bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in einem Reaktionsbehalter, bei dem man durch nicht drucktragende Einbauten die Verweilzeit des/der gasformigen Reaktanden im Reaktionsbehalter erhöht, und die nicht drucktragenden Einbauten von dem flussigen Reaktanden umgeben sind.
Gegenstand der Erfindung ist ebenso die Herstellung von Schwefelwasserstoff aus Wasserstoff und Schwefel bei erhöhtem Druck und hohen Temperaturen, unter Verwendung des erfindungsgemaßen Reaktionsbehalters . Die Temperaturen bei der Synthese von Schwefelwasserstoff liegen im Bereich von 300 bis 600 0C, insbesondere ca. 400 bis 600 °C. An den drucktragenden Teilen des Reaktionsbehalters liegt die Temperatur unterhalb der an den Einbauten sich einstellenden Temperatur, bevorzugt nicht > 4500C, besonders bevorzugt weniger als 4500C. In den Gassammelbereichen oder Gasfangbereichen bzw. den Einbauten liegen bevorzugt Temperaturen oberhalb von 450 0C vor, insbesondere bis 6000C.
Die nicht mit flussigem Schwefel bedeckten Flachen des Reaktors befinden sich bevorzugt oberhalb des flussigen
Schwefels und sind nicht auf Temperaturen > 4500C erhitzt.
Bezuglich der Form bestehen für den Reaktionsbehalter und die Einbauten keine besonderen Einschränkungen. Der Behalter hat bevorzugt eine zylindrische Form. Die als Gassammelbereiche oder Gasfangbereiche wirkenden nicht drucktragenden Einbauten können beispielsweise in Form von umgedrehten Tassen oder Kavernen, Bodenkonstruktionen mit Gassammlern und Gasverteilern, Schuttungen von Füll- oder Hohlkörpern, Packungen, Monolithen, Gestricken oder Kombinationen davon vorliegen.
Die Figur 1 gibt ein Beispiel für eine Ausfuhrungsform wieder Der Fachmann ist in der Auswahl der zu kombinierenden Verfahrensschritte zur Herstellung von Schwefelwasserstoff frei, wobei auch mehrere der erfindungsgemaßen Reaktionsbehalter und verschiedene Apparate zur Abtrennung von Nebenprodukten oder unverbrauchten Einsatzstoffen kombiniert werden können.
Im allgemeinen fuhrt man das Verfahren bei einem Druck von 5 bis 20 bar durch und leitet Wasserstoff bei diesem Druck in den erfindungsgemaßen Reaktionsbehalter in flussigen Schwefel.
Weiterhin kann die erfindungsgemaße Umsetzung insbesondere zu Schwefelwasserstoff erfindungsgemaß auch in Gegenwart eines an sich bekannten heterogenen Katalysators ablaufen. Dabei handelt es sich bevorzugt um einen schwefelbestandigen Hydrierkatalysator, der bevorzugt aus einem Trager wie beispielsweise Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Titanoxid besteht sowie eines oder mehrere der aktiven Elemente Molybdän, Nickel, Wolfram, Eisen, Vanadium, Kobalt, Schwefel, Selen, Phosphor, Arsen, Antimon und Wismut enthalt. Der
Katalysator kann sowohl in der Flussigphase als auch in der Gasphase eingesetzt werden. Der Katalysator kann in Form von Pelletschuttungen, als suspendiertes Pulver im flussigen Schwefel, als Beschichtung an Fullkorpern, Monolithen oder Gestricken vorliegen. Der Katalysator kann an einem oder an mehreren Orten im Reaktionsbehalter angebracht sein. Bevorzugt wird der Katalysator in den als Gassammelbereichen wirkenden Einbauten angebracht. Zur Sicherstellung eines kompletten Wasserstoffumsatzes wird in einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung eine
Katalysatorschuttung oberhalb des flussigen Schwefels und aller Gasfangkonstruktionen angebracht. Möglich ist auch eine Katalysatorschuttung, die vom flussigen Schwefel umschlossen ist. Anstelle von reinem Wasserstoff kann auch verunreinigter Wasserstoff durch den flussigen Schwefel geleitet werden. Die Verunreinigungen können beispielsweise Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Wasser, Methanol, Methan, Ethan, Propan, oder andere leichtfluchtige Kohlenwasserstoffe sein. Bevorzugt wird Wasserstoff mit einer Reinheit großer als 65 Vol.-% bis 100 Vol.-% eingesetzt, wovon bevorzugt mehr als 98 % bis 100 Vol.-% des eingesetzten Wasserstoffs zu Schwefelwasserstoff umgesetzt werden. Die Verunreinigungen im Wasserstoff oder deren
Reaktionsprodukte werden bevorzugt vor der Synthese von Methylmercaptan nicht abgetrennt, sondern im Eduktgemisch belassen. Auch der verwendete Schwefel kann unterschiedliche Verunreinigungen enthalten.
Insgesamt kann durch die Erfindung einerseits ein wirtschaftlicherer Betrieb von Produktionsanlagen für Schwefelwasserstoff speziell bei Drucken > 5 bar ermöglicht werden, da der Reaktionsbehalter auch bei langem Betrieb von mehreren Jahren oder Jahrzehnten nur wenig gewartet, repariert und nicht teilweise oder vollständig ersetzt werden muss. Durch den erfindungsgemaßen Reaktionsbehalter wird das Auftreten von Ubertemperaturen an drucktragenden Teilen vermieden und dadurch die Anlagensicherheit erhöht, weil verringerte Korrosion in diesem Bereich die Gefahr des Materialversagens und die Wahrscheinlichkeit von Unfällen durch den Austritt von Gefahrstoffen minimiert wird. Dies ist von besonderer Bedeutung bei sehr giftigen Stoffen wie Schwefelwasserstoff .
Vergleichsbeispiel 1:
In ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 5 cm, das bis zu einer Hohe von 1 m mit flussigem Schwefel gefüllt war, wurden kontinuierlich 1000 Nl/h Wasserstoff über eine Fritte am Boden eingespeist. Der Verbrauch an Schwefel wurde durch Nachdosieren von flussigem Schwefel ausgeglichen, wobei der Füllstand konstant gehalten wurde. Aus dem Produktgasstrom durch Kondensation abgetrennter Schwefel wurde flussig in den oberen Bereich des Rohres zurückgeführt. Oberhalb des flussigen Schwefels waren in Abstanden von 10 cm Mantelthermoelemente zur Temperaturmessung angebracht. Wahrend der Reaktor über die Außenwand elektrisch auf 400 0C beheizt wurde, lag innerhalb des Schwefels eine gleichmaßige Temperatur von etwa 397 0C vor. Die Thermoelemente oberhalb des Schwefels zeigten jedoch eine maximale Temperatur von 520 0C. Weiterhin waren oberhalb des flussigen Schwefels neue Werkstoffproben an der Stelle der maximalen Temperatur aus gebrauchlichen Edelstahl (1.4571) angebracht. Nach einer Betriebszeit von etwa 400 h wurden die Werkstoffproben entnommen und zeigten starke Korrosionserscheinungen in Form von Abplatzungen und Gewichtsverlust an.
Vergleichsbeispiel 2:
Vergleichsbeispiel 1 wurde wiederholt, wobei die Hohe des flussigen Schwefels auf 4 m erhöht wurde. Der Wert der maximalen Temperatur oberhalb des flussigen Schwefels blieb bestehen. An den Werkstoffproben traten ebenfalls starke Korrosionserscheinungen auf.
Vergleichsbeispiel 3:
Vergleichsbeispiel 2 wurde wiederholt, wobei im flussigen Schwefel 15 Gew.-% eines pulverformigen C03O4M0O3/AI2O3- Katalysators suspendiert wurden. Der Wert der maximalen Temperatur oberhalb des flussigen Schwefels blieb bestehen. An den Werkstoffproben traten ebenfalls starke Korrosionserscheinungen auf.
Beispiel 1:
Vergleichsbeispiel 2 wurde wiederholt, wobei in den Bereich des flussigen Schwefels drei Gassammelbereiche in Form von umgedrehten Tassen angebracht wurden. Dort wurde das aufsteigende Gas mit einer Verweilzeit im Bereich von 10 - 50 s gesammelt. Oberhalb des flussigen Schwefels wurde dieselbe Temperatur wie im flussigen Schwefel gemessen. Es war keine Uberhitzung zu beobachten. Weiterhin waren an den Werkstoffproben oberhalb des flussigen Schwefels keine Korrosionserscheinungen zu erkennen. Mittels GC-Analytik wurde der Umsatzgrad an Wasserstoff im Produktgas zu > 60 % (bei 4000C Schwefeltemperatur, analog dem Vergleichsbeispiel), bei 4200C zu > 90 % und bei 440°C zu > 96 %) bestimmt.
Beispiel 2 :
Vergleichsbeispiel 2 wurde wiederholt, wobei in dem Bereich des flussigen Schwefels eine Schuttung aus Keramikfullkorpern mit einem Außendurchmesser von 5 mm und einem Luckenvolumen der Pellets von 70 % eingebaut wurde. Der Wert der maximalen Temperatur oberhalb des flussigen Schwefels zeigte lediglich 5 0C mehr als die vorgegebene Schwefeltemperatur von 3970C. Weiterhin waren an den Werkstoffproben oberhalb des Schwefels keine
Korrosionserscheinungen zu erkennen. Mittels GC-Analytik wurde der Umsatzgrad an Wasserstoff im Produktgas zu > 99 % bestimmt .
Die Beispiele zeigen, dass durch die Erfindung die stark exotherme Reaktion bereits innerhalb des mit flussigem Schwefels gefüllten Bereichs der Einbauten bzw. Gassammelbereiche beendet ist und nicht im Gasbereich oberhalb des flussigen Schwefels erfolgt. Dadurch entsteht dort keine durch hohe Ubertemperaturen bedingte Korrosion. Der entstehende Schwefelwasserstoff ist von hoher Reinheit.

Claims

Patentansprüche
1. Reaktionsbehalter, geeignet zur Durchfuhrung einer exothermen Umsetzung eines flussigen Reaktanden mit einem oder mehreren gasformigen Reaktanden zu einem gasformigen Reaktionsprodukt bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, bei dem man durch nicht drucktragende Einbauten die Verweilzeit der/des gasformigen Reaktanden im Reaktionsbehalter erhöht und die nicht drucktragenden Einbauten von dem flussigen Reaktanden umgeben sind.
2. Reaktionsbehalter gemäß Anspruch 1, bei dem man die entstehende Reaktionswarme über den zirkulierenden flussigen Reaktanden ableitet.
3. Reaktionsbehalter gemäß Anspruch 1, bei dem man Gassammelbereiche und Gasfangbereiche als nicht drucktragende Einbauten einsetzt.
4. Reaktionsbehalter gemäß Anspruch 1, bei dem man Schuttungen von Füll- oder Hohlkörpern als nicht drucktragende Bereiche einsetzt.
5. Reaktionsbehalter gemäß Anspruch 1, bei dem man die Verweilzeit des/der gasformigen Reaktanden durch Schuttungen von geeigneten Katalysatoren erhöht.
6. Reaktionsbehalter gemäß den Ansprüchen 1, 3 und 5, bei dem der Katalysator sich innerhalb des Gassammelbereichs befindet.
7. Reaktionsbehalter gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, der drei bis 100 nicht drucktragende Einbauten enthalt.
8. Reaktionsbehalter gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, bei dem die Verweilzeit des/der gasformigen Reaktanden in einem Gassammelbereich oder Gasfangbereich mehr als 0,5 bis 60 s betragt.
9. Reaktionsbehalter gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, bei dem die Verweilzeit des gasformigen Reaktanden um den Faktor 3 bis 20 gegenüber Behaltern ohne Einbauten erhöht ist.
10. Reaktionsbehalter gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, bei dem die Einbauten von dem flussigen Reaktanden umgeben und durch eine Wand von der Wand des Reaktionsbehalters getrennt sind, in der Weise, dass durch den sich aus dem Abstand zwischen der genannten Wände ergebenden Raum der flussige Reaktand entgegen der Steigrichtung des gasformigen Reaktanden zirkuliert .
11. Reaktionsbehalter gemäß den Ansprüchen 1 bis 10, den man für die Umsetzung von flussigem Schwefel mit gasformigem Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff einsetzt .
12. Verfahren zur exothermen Umsetzung eines flussigen Reaktanden mit einem oder mehreren gasformigen
Reaktanden zu einem gasformigen Reaktionsprodukt bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in einem Produktionsbehalter, bei dem man durch nicht drucktragende Einbauten die Verweilzeit des/der gasformigen Reaktanden im Reaktionsbehalter erhöht und die nicht drucktragenden Einbauten von dem flussigen Reaktanden umgeben sind.
13. Verfahren zur Herstellung von Schwefelwasserstoff aus Schwefel und Wasserstoff unter erhöhtem Druck, bei dem man die Umsetzung von gasformigem Wasserstoff und flussigem Schwefel in einem Reaktionsbehalter gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 bei einer Temperatur von 300 bis 6000C durchfuhrt, wobei die Temperatur an den nicht drucktragenden Einbauten oberhalb der Temperatur an der drucktragenden Behalterwand liegt.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die Temperatur der nicht drucktragenden Einbauten bei > 4500C und die an der drucktragenden Behalterwand bei < 4500C liegt.
15. Verfahren gemäß den Ansprüchen 13 oder 14, bei dem man bei einem Druck von 8 bis 20 bar arbeitet.
16. Verfahren gemäß den Ansprüchen 13 bis 15, bei dem man die Umsetzung in Gegenwart eines Katalysators durchfuhrt.
17. Verfahren gemäß Anspruch 15 bei dem man einen schwefelbestandigen Hydrierkatalysator, der bevorzugt aus einem Trager wie beispielsweise Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Titanoxid besteht sowie eines oder mehrere der aktiven Elemente
Molybdän, Nickel, Wolfram, Eisen, Vanadium, Kobalt, Schwefel, Selen, Phosphor, Arsen, Antimon und Wismut enthalt, verwendet.
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