"Verfahren zur Oxichlorierung von Ethylen in einem Wirbelschicht-Katalysatorbett""Process for Oxychlorination of Ethylene in a Fluidized Bed Catalyst Bed"
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Oxichlorierung von Ethylen in einem wirbelschichtmäßig ausgebildeten Katalysatorbett.The invention is directed to a process for the oxychlorination of ethylene in a fluidized bed catalyst bed.
Ein Problem bei exothermen, aber auch endothermen katalytischen Vorgängen besteht darin, daß zu Beginn des Katalysatorbettes der Hauptteil der Reaktion und (beispielsweise bei exothermen Vorgängen) der Hauptanfall der Wärme stattfindet, die dann nach außen abgeführt werden muß, während über den Rest der Betthöhe die Restumsetzung erfolgt mit deutlich geringerem Wärmeanfall. Danach müssen die Wärmetauscherrohre, aber auch die Höhe der Katalysatorschicht entsprechend ausgelegt werden. Da die Länge der Verdampferrohre von der gesamten Wirbelschicht umspült werden muß, um eine genügende Wärmeabfuhr zu ermöglichen, wird eine große Menge an Katalysator benötigt, was mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist.A problem with both exothermic and endothermic catalytic processes is that at the beginning of the catalyst bed the main part of the reaction and (for example in exothermic processes) the main amount of heat takes place, which then has to be dissipated to the outside, while over the rest of the bed height the Residual conversion takes place with significantly less heat. Then the heat exchanger tubes, but also the height of the catalyst layer must be designed accordingly. Since the length of the evaporator tubes must be washed around by the entire fluidized bed in order to enable sufficient heat dissipation, a large amount of catalyst is required, which is associated with correspondingly high costs.
Aus der DD-86 387 ist ein Siliciumcarbid als Verdünnungsmittel für eine Katalysatorschüttung bekannt. Da Siliciumcarbid eine beträchtliche Härte aufweist, kann es in einem industriell betriebenen Reaktor zu Beschädigungen von Reaktor oder Zyklonen kommen sowie zu einem erhöhten Abrieb des eigentlichen Katalysators, ein Nachteil, den es zu vermeiden gilt.
Aus der US-5 202 511 sind Verdünnungsversuche in einem Festbettreaktor bekannt, ohne auf besondere Fluidisierungs- eigenschaften, Abriebeigenschaften und den Einsatz in kommerziell betriebenen Wirbelschichtreaktoren Hinweise zu geben.From DD-86 387 a silicon carbide is known as a diluent for a catalyst bed. Since silicon carbide has considerable hardness, damage to the reactor or cyclones can occur in an industrially operated reactor, and increased wear of the actual catalyst, a disadvantage which must be avoided. Dilution tests in a fixed bed reactor are known from US Pat. No. 5,202,511, without giving any indication of special fluidization properties, abrasion properties and use in commercially operated fluidized bed reactors.
Konstruktionen von Wärmetauscherelementen zeigen beispielsweise die DE-43 05 001-A1 oder die DE-41 31 446-A1.Constructions of heat exchanger elements are shown, for example, in DE-43 05 001-A1 or DE-41 31 446-A1.
Um eine Vergleichmäßigung der Temperatur zwischen Fuß und Kopf der Wirbelschicht zu erreichen, ist schon vorgeschlagen worden, Glas, Tonerde oder Kieselsäure bzw. Quarz zur Stabilisierung der Korngrößenverteilung des Katalysators einzusetzen (DE-24 42 182-C3).In order to achieve a uniform temperature between the foot and the head of the fluidized bed, it has already been proposed to use glass, clay or silica or quartz to stabilize the particle size distribution of the catalyst (DE-24 42 182-C3).
Hier setzt die Erfindung an, die sich zur Aufgabe gestellt hat, insbesondere den Aufwand und die Kosten bei heterogenen, katalytischen Gasphasenreaktionen im Wirbelschichtreaktor, nämlich bei der Oxichlorierung von Ethylen, zu verringern. Dieses Ziel wird durch die Maßnahme des Anspruches 1 gelöst.This is where the invention comes in, which has set itself the task of reducing, in particular, the effort and costs involved in heterogeneous, catalytic gas-phase reactions in the fluidized bed reactor, namely in the oxychlorination of ethylene. This goal is solved by the measure of claim 1.
Das hier eingesetzte, das den Katalysatorträger bildende Material hat besondere Vorteile, da es von den physikalischen Parametern dem Katalysator sehr ähnlich ist. Damit lassen sich die Parameter, wie Korngröße, Abriebfestigkeit u. dgl., in einfacher Weise so anpassen, daß sich z.B. die
Abriebverluste minimieren lassen.The material used here, which forms the catalyst carrier, has particular advantages because its physical parameters are very similar to the catalyst. This allows the parameters such as grain size, abrasion resistance and. Like., Adjust in a simple manner so that, for example, the Have abrasion losses minimized.
Die US-4 446 249 offenbart ein γ-Aluminiumoxid als Katalysatorträger, die Verdünnungsproblematik, wie sie bei der vorliegenden Erfindung im Vordergrund steht, ist dort nicht erwähnt .US Pat. No. 4,446,249 discloses a γ-alumina as a catalyst support, the dilution problem, as is the focus of the present invention, is not mentioned there.
Allgemein ist zu sagen, daß die Erzeugung von 1,2 Dichlo- rethan (1,2-EDC) durch Oxichlorierung von Ethylen verläuft an einem kupferhaltigen Katalysator (Träger: Aluminiumoxid) nach der Bruttogleichung:In general, it can be said that the production of 1,2 dichloroethane (1,2-EDC) by oxychlorination of ethylene takes place on a copper-containing catalyst (carrier: aluminum oxide) according to the gross equation:
C,H4 + 2 HC1 + 1/2 0, C2HAC12 + H20 + Δ H,C, H 4 + 2 HC1 + 1/2 0, C 2 H A C1 2 + H 2 0 + Δ H,
wobei hier die Reaktion in einem Wirbelschichtreaktor mit Wärmeabfuhr durch ein vertikales Verdampferrohrbündel durchgeführt wird. Als Beispiel seien einige Daten genannt:where the reaction is carried out in a fluidized bed reactor with heat dissipation through a vertical evaporator tube bundle. Some data may be mentioned as an example:
Betthöhe: ca. 14 mBed height: approx. 14 m
Mittlerer Katalysatorkorndurchmesser: ca. 51 μmAverage catalyst particle diameter: approx. 51 μm
Kupfergehalt des Katalysators: ca. 4 %Copper content of the catalyst: approx. 4%
Reaktionstemperatur: 220 °CReaction temperature: 220 ° C
Reaktionsdruck: 4,55 barReaction pressure: 4.55 bar
Gasgeschwindigkeit bei Minimalfluidierung: ca. 0,002 m/sGas velocity with minimal fluidization: approx. 0.002 m / s
Leerrohrgasgeschwindigkeit im Reaktor: 0,21-0,42 m/s
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Empty tube gas velocity in the reactor: 0.21-0.42 m / s Further refinements result from the subclaims.
Besonders vorteilhaft ist, wie oben schon ausgeführt, wenn als Verdünnungsmaterial der inerte Katalysator, nämlich γ~ Aluminiumoxid, eingesetzt wird.As already stated above, it is particularly advantageous if the inert catalyst, namely γ ~ aluminum oxide, is used as the dilution material.
Auch ist es zweckmäßig, die Form der Teilchen, z.B. die Sphärizitat (Abweichung der Katalysator-Teilchen von einer idealen Kugelform) so zu wählen, wie dies bei den Katalysator-Teilchen selbst der Fall ist, wobei hier zweckmäßig ein Katalysator und ein entsprechendes Verdünnungsmaterial mit einer Sphärizitat von 0,99 eingesetzt wird (fast ideale Kugelform) . Derartig runde Teilchen vermindern idealerweise unerwünschten Abrieb.It is also convenient to determine the shape of the particles e.g. choose the sphericity (deviation of the catalyst particles from an ideal spherical shape) as is the case with the catalyst particles themselves, a catalyst and a corresponding dilution material with a sphericity of 0.99 being used expediently (almost ideal Spherical shape). Such round particles ideally reduce unwanted abrasion.
Auch wird erfindungsgemäß beim Verdünnungsmaterial eine Korngrößenverteilung gewählt, die derjenigen des Katalysa- tormateriales selbst entspricht, auch dies fördert die Verringerung des Abriebverhaltens , so daß die ausgetragene Feinstaubmenge gegenüber herkömmlich betriebenen Systemen nicht geändert wird.According to the invention, a grain size distribution is also selected for the dilution material which corresponds to that of the catalyst material itself, this also promotes the reduction in the abrasion behavior, so that the amount of fine dust discharged is not changed compared to conventionally operated systems.
Eine zweckmäßige Variante der Erfindung besteht darin, daß Verdünnungsmaterial aus Keramik hoher Wärmeleitfähigkeit eingesetzt wird.
Der Einsatz von hochporösem γ-Aluminiumoxid als Verdünnungsmittel fördert die Bildung von Nebenprodukten, die über diese Verdünnungsmittel beeinflußbar sind, so daß die Erfindung auch die Verwendung von γ~ luminiumoxid mit niedriger Oberfläche, allerdings mit den Austragungs- und Abriebeigenschaften des Originalkatalysators, vorschlägt. Dies gilt auch für eine Variaton der Acidität durch entsprechende Dotierung.An expedient variant of the invention is that dilution material made of ceramic with high thermal conductivity is used. The use of highly porous γ-alumina as a diluent promotes the formation of by-products which can be influenced by these diluents, so that the invention also suggests the use of γ ~ alumina with a low surface area, but with the discharge and abrasion properties of the original catalyst. This also applies to a variation in acidity through appropriate doping.
Allgemein sei angemerkt, daß das Verfahren auch bei anderen Wirbelschichtprozessen anwendbar ist, es muß nicht zwingend zur Oxichlorierung von Ethylen eingesetzt werden, obgleich es hier von besonderem Wert ist. Die Wärmeleitfähigkeit des eingesetzten Inertmateriales hat wesentlichen Einfluß auf die mantelseitigen Wärmeübergangszahlen. Hier können in besonderer Weise keramische Werkstoffe eingesetzt werden, wodurch sich die Effizienz des Katalysator-Verdünnungsverfahrens nochmals steigern läßt .In general it should be noted that the process can also be used in other fluidized bed processes; it does not necessarily have to be used for the oxychlorination of ethylene, although it is of particular value here. The thermal conductivity of the inert material used has a significant influence on the jacket-side heat transfer coefficients. Ceramic materials can be used here in a special way, which further increases the efficiency of the catalyst dilution process.
Neben der besonders vorteilhaften Mengenangabe von bis zu 50 % γ-Aluminiumoxid als Verdünnungsmaterial sei angemerkt, daß hier auch andere Mischungsverhältnisse in Betracht kommen. Je nach Einsatzgebiet kann auch ein höherer Anteil des Verdünnungsmateriales vorgesehen sein.
In addition to the particularly advantageous amount of up to 50% γ-aluminum oxide as a diluent, it should be noted that other mixing ratios are also possible here. Depending on the field of application, a higher proportion of the dilution material can also be provided.