WO2001089683A2 - Vorrichtung und verfahren zur durchführung von heterogen katalysierten gasphasenreaktionen mit wärmetönung - Google Patents

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WO2001089683A2
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Mathias Haake
Manfred Stroezel
Otto Wörz
Ekkehard Schwab
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    • B01J2219/32475—Composition or microstructure of the elements comprising catalytically active material involving heat exchange

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the approximately isothermal implementation of gas phase reactions with high heat emission, especially of oxidative dehydrogenations, on a solid catalyst.
  • DE-A 42 43 500 discloses the use of special wire mesh catalyst inserts coated with catalyst for exhaust gas purification.
  • the wire mesh or wire mesh layers are thermally and / or mechanically fixed in the wound state.
  • the complicated construction of the catalyst insert and the poor heat transfer within it are problematic.
  • Materials of the filter or catalyst body one of compression-molded wires or fibers as a tangle, braid, knitted fabric or in or
  • the filter or catalyst body can be traversed by heat exchanger tubes or channels transversely or counter to the exhaust gas flow direction directed through the filter or catalyst body.
  • EP-B 201 614 describes a reactor for carrying out heterogeneous, catalyzed chemical reactions which contains ribbon-shaped, at least partially corrugated catalyst bodies, the corrugation of which is inclined at an angle to the main flow axis and directed in the opposite direction in the case of adjacent plates, the wavelength of the corrugation of the catalyst body being smaller than the wavelength of the adjacent corrugated plate and the surface of the catalyst is larger than the surface of an adjacent corrugated plate.
  • the catalyst can be a body coated with a catalytically active material, which can optionally be designed as a wire mesh or wire mesh.
  • the complicated corrugation of the plates favors bypass formation, makes vortex formation difficult and thus impairs the mass transfer.
  • the compact packing element provided does not allow effective removal of the heat of reaction.
  • EP-B 0 305 203 describes the implementation of heterogeneously catalyzed reactions under non-adiabatic conditions.
  • monolithic catalysts in the form of catalyst plates are placed in an annular reactor chamber which has heat-dissipating walls.
  • the monolithic catalysts have channels which are at an angle to the main flow axis, so that the reaction fluid is conducted at an acute angle from one reactor wall to the other.
  • the shear stress that is exerted on the reaction fluid is extremely high near the reactor wall (high pressure loss) and otherwise rather low (poor material transport).
  • the manufacturing method of the reactor is complex since the pressure loss depends crucially on the geometry between the reactor wall and the monolithic catalyst.
  • EP-B 0 149 456 relates to a process for the preparation of a glyoxylic acid ester by oxydehydrogenation of the corresponding glycolic acid ester in the gas phase.
  • a tubular reactor is used which has a catalyst support made of at least one cylindrical monolith, the monolith having essentially the same diameter as the reactor tube and containing channels with a diameter of 1 to 10 mm which lead from the inlet to the outlet of the reaction tube , and wherein 60 to 90% of the monolith volume of Cavities is formed.
  • the channels can form an angle of 20 to 70 ° with the reactor axis. This measure directs the reaction fluid to the reactor walls and thus promotes the removal of the heat of reaction.
  • This method has the same disadvantages as the method known from EP-B 0 305 203.
  • DE-A 197 25 378 describes a compact fixed bed reactor for catalytic reactions in the gaseous and / or liquid phase through which two streams of material flow in cocurrent or countercurrent.
  • the flow channels for the two material flows are formed here by an accordion-like folding of a partition.
  • Corrugated structures are installed in the folds of the partition thus formed in such a way that continuous flow channels for the fluid flows are created.
  • the corrugated structures serve both as a spacer between the opposite folds of the partition and as a catalyst carrier and ensure improved heat transfer to / from the partition.
  • the corrugated structures are rigid structures, the dimensions of which limit the minimum distance between the folds of the partition walls and the amount of catalyst that can be applied to these corrugated structures.
  • the ratio of the surface of the corrugated structures (ie the catalyst) to the heat exchanger volume is a maximum of 800 m 2 / m 3 if one assumes a maximum technically feasible bend width of 5 mm and a corner angle of 90 °.
  • the manufacturing method of the reactor is relatively complex.
  • a device for largely isothermally carrying out a heterogeneously catalyzed reaction in the gas phase with high heat emission having at least one reactor space with inlet and outlet, wherein the reactor space is delimited by heat-dissipating walls which have a substantially constant distance along the main flow axis of a reaction gas of 30 30 mm,
  • the reactor room is equipped with strips coated with catalyst
  • the strips are flexible in all spatial directions and permeable to the reaction gas, have a surface-to-volume ratio of 50 to 5000 m 2 / m 3 and good thermal conductivity,
  • reaction gas flows through the reactor space at a speed of ⁇ 200 m 3 per m 2 of flow area and per hour, and
  • a heat exchange medium flows on the side of the reactor wall facing away from the reactor space.
  • the device according to the invention is suitable for carrying out strongly exothermic as well as strongly endothermic reactions since it enables rapid heat dissipation or heat supply.
  • strongly endothermic reactions are oxidative dehydrogenations such as that of 3-methyl-3-buten-l-ol, hydrogenation of double or triple bonds and aromatics such as the hydrogenation of benzene to cyclohexane are examples of strongly exothermic reactions.
  • the enthalpies of these reactions are, for example, in the range from 30 to 75 kcal / mol.
  • the device according to the invention also makes it possible to work under negative or positive pressure, that is to say at pressures from 1-10 -3 to 100 bar, in particular from 0.5 to 40 bar.
  • the device according to the invention can therefore be used in a wide pressure range.
  • Reaction gas is understood to mean the mixture of gaseous reactants and any further gaseous substances added, which do not react with the reactants under the reaction conditions.
  • the heat exchange medium can be a liquid, a gas or a molten salt bath, depending on the desired temperature. Does the warmth Exchange medium for the absorption and removal of heat, this is also called a cooling fluid. Temperatures from -20 ° C to 400 ° C can be easily achieved. The rapid heat dissipation or heat supply that is made possible by the device according to the invention enables very precise heat control. For example, temperatures of 370 ° C ⁇ 10 ° C, in particular ⁇ 5 ° C, can be set. In contrast to conventional fixed bed reactors, no temperature peaks occur when using the device according to the invention.
  • the reactor space can be annular, cylindrical, rectangular or square.
  • the device according to the invention can be easily realized by introducing the catalyst-coated strips (catalyst strips) into the gap of a commercially available heat exchanger. So there is no adaptation of the reactor tube to the catalyst, but an adaptation of the catalyst bands to the reaction space. Any heat exchanger can be used. Annular gap heat exchangers as well as plate heat exchangers or spiral heat exchangers are suitable. Examples of heat exchangers are constructions such as those in ISO 15547 or in WRA Vauck, HA Müller, basic operations of chemical process engineering, Verlag Theodor Steinkopff Dresden 1974, 4th edition, pp.
  • the distance from the wall and thus the gap width or the gap diameter of the heat exchangers used is preferably 0.5 to 30 mm, especially 1 to 20 mm, in particular 1.5 to 10 mm or 1.8 to 5 mm.
  • the catalyst belts are introduced into the reactor space formed by two coaxial tubes and cooled (or heated) through the wall of the inner tube and or of the outer tube.
  • This device according to the invention is also referred to as an "annular gap heat exchanger reactor".
  • Plate heat exchangers have a square or rectangular reactor space which is optionally subdivided by additional heat-dissipating walls which force the reaction gas through the reactor space in a zigzag course.
  • the catalyst strips are introduced into the reactor space, catalyst strips possibly being omitted at the points where the greatest change in direction occurs * in order to avoid an excessive pressure drop.
  • a device according to the invention which uses a spiral heat exchanger (“spiral heat exchanger reactor”), has an in particular cylindrical reactor space which is equipped with catalyst belts as evenly as possible.
  • the catalyst belts are flat, smooth structures which can be formed as woven, knitted and knitted fabrics, perforated sheets or - in the case of metal as a material - as expanded metal.
  • felts or foils can also be used, however, these have to be combined with fabrics, knitted fabrics, knitted fabrics, perforated sheets or expanded metals, whereby the felts or foils must be aligned parallel to the main flow direction and the fabrics, knitted fabrics, knitted fabrics, perforated sheets or expanded metals as spacers for the felts or foils are used.
  • felts or foils which are oriented parallel to the main flow direction, can be introduced into the reactor space with woven fabrics, knitted fabrics, knitted fabrics, perforated sheets or expanded metals. Woven fabrics, knitted fabrics or knitted fabrics are preferably used.
  • the catalyst belts are characterized by the fact that they are flexible in all spatial directions, that is to say bendable and stretchable. These are unstructured shaped catalyst bodies which can easily be adapted to the dimensions of the reactor space, in particular the columns of commercial heat exchangers. When using them, fixation and alignment on the main flow axis are not required. Since the catalyst belts are flexible in all spatial directions, they fix themselves. In general, the catalyst belts are introduced individually, rolled or layered into the reactor space without prior deformation (eg by stamping a surface layer such as waves with the aid of a gear roller). This enables a higher one Packing density of the catalyst belts with uniform filling of the reactor space and maximum suppression of undesired bypass formation, which is reflected in an increase in the mass exchange.
  • the catalyst belts are inserted by manual insertion, positioning or pushing into the gap of the heat exchanger.
  • the limiting factors are the dimensions of the reactor space and the thickness of the catalyst strips. Both one and several catalyst belts can be introduced.
  • the catalyst belts can be distributed over the entire reactor space of the heat exchangers, or can only be positioned on sections selected by the person skilled in the art. Since the catalyst belts are flexible in all spatial directions, they can be stretched as well as layered, folded or rolled.
  • Stretching is understood to mean pulling a catalyst belt into length or width.
  • the catalyst strips can be stretched by up to 60%, depending on the material of the strip.
  • Layers are understood to mean the laying on of at least two catalyst bands, folding means the laying of one and the same catalyst band, the direction of the band being changed by 180 ° in certain or arbitrarily selected sections.
  • the catalyst strips stacked one on top of the other can optionally also be folded or rolled.
  • the surface of the catalyst belts can be increased by folding or rolling the catalyst belts more strongly, without the space requirement (the volume) of these more folded or rolled catalyst belts being significantly increased.
  • the catalyst belts have a high surface-to-volume ratio of 50 to 5000 m / m. Such a high surface-to-volume
  • the small wall clearances of the reactor space which are generally 30 30 mm, preferably ⁇ 20 mm, particularly preferably 10 10 mm, are also advantageous for rapid heat transport.
  • the volume of the reactor space is determined by the volume of the column of commercial heat exchangers.
  • the catalyst belts are also mechanically very stable, so that the heterogeneously catalyzed reactions in the gas phase can also be carried out at high flow rates of the reaction gas without the catalyst being subject to any significant abrasion.
  • the device according to the invention can also be used at low flow velocities, but it is precisely at flow velocities ⁇ 200
  • the flow rate is selected depending on the process (working at negative, normal or positive pressure) and depending on the ratio of the volume of the catalyst belts to the volume of the reactor space.
  • Gas flow rates of up to 70 m / s can be achieved in the apparatus according to the invention not equipped with catalyst belts. Typical values for gas flow velocities in heat exchangers are 40 m / s.
  • the catalyst-bands equipped apparatus according to the invention can be combined with m flow rates from 200 to 15,000 5 - at zero incidence area [m] h, in particular at flow rates from 300 to 15,000 m and especially at flow rates of at zero incidence area [m] hm
  • the specified flow area mh Speeds are empty tube speeds that were determined with a gas meter.
  • the device according to the invention is also designed to maintain a high but uniform shear stress on the reaction gas. On the one hand, as already mentioned above, it withstands a high cross-sectional load without the catalyst being ground. On the other hand, the reaction gas is exposed to a uniformly high shear stress in the reactor space provided with catalyst belts. This leads to a uniform swirling of the reaction gas and thus to a constant level of mixing of the reaction gas as it passes through the reactor space. Due to the high flow velocities and the thorough mixing of the reaction gas, the devices according to the invention can achieve sales as high as with conventional reactors, the catalyst requirement being lower when the reactions are carried out in conventional reactors when the reactions are carried out in the devices according to the invention. Another advantage of the device according to the invention is that no complex structuring of the Catalyst or catalyst support is required, so that costs can be saved.
  • the catalyst belts usually have a fine structure.
  • the fine structure consists of the rectangles formed by the wire or thread, which each share the sides with one another.
  • the setting angle which one side of the two sides forming a rectangle form with the main flow axis of the reaction gas is even preferably randomly distributed.
  • the term of the randomly distributed setting angle means that the catalyst belts are brought into the reactor space in such a way that ideally all possible setting angles are realized and that consequently a chaotic meshwork is created. With such a chaotic meshwork, the sequence of cavities, wires or threads in the reactor space is random due to the random orientation of the catalyst strips. This minimizes the bypass formation within the reactor and maximizes the heat and mass transfer due to a turbulent flow.
  • the materials used for the band are selected from the metallic and ceramic materials and plastics in accordance with the deformations that occur during manufacture, reworking and use.
  • those metallic and ceramic materials and plastics are suitable that form fibrous structures.
  • metallic materials are pure metals such as iron, copper, nickel, silver, aluminum and titanium or alloys such as steels such as nickel, chromium and / or molybdenum steel, brass, phosphor bronze, monel and / or nickel silver.
  • ceramic materials are aluminum oxide, silicon dioxide (glass fibers), zirconium dioxide and / or carbon.
  • plastic fibers are those made from polyamides, polyethers, polyvinyl, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyketones, polyether sulfones, epoxy resins, alkyd resins, urea and / or melamine resins.
  • Metals, asbestos substitutes, glass fibers, carbon fibers and / or plastics, in particular metals, that is to say pure metals and alloys, are preferred since these have a very good heat transfer coefficient.
  • Inexpensive stainless steels are particularly preferred, which are catalytically coated accordingly.
  • the tapes coated with catalyst according to the invention are in particular metal mesh or knitted metal.
  • metal mesh is understood to mean a wickerwork made of metal, which is formed by a circumferential metal thread.
  • Metal mesh is understood to be a wickerwork made from at least two metal threads.
  • the wire diameter is generally 0.01 to 5.0 mm, preferably 0.04 to 1.0 mm in the case of metal mesh or knitted metal.
  • the mesh size can be varied over a wide range.
  • the catalyst belts can be produced by the process described in US Pat. No. 4,686,202 and EP-B 0 965 384.
  • Catalyst belts in the form of metal mesh can also be coated using the method described in EP-B 0 564 830.
  • the coating of metal knitted fabrics with a catalyst is not explicitly described in EP-B 0 564 830, but the procedure is the same as for metal fabrics.
  • the coating of metal fabrics or knitted fabrics with catalysts can also be carried out by conventional immersion processes, e.g. by the process described in EP-A 0 056 435. Reference is made in full to US-A 4 686 202, EP-B 0 965 384, EP-B 0 564 830 and EP-A 0 056 435.
  • metal from which the metal fabric or knitted fabric is made (possibly after treatment) is itself catalytically active, then a coating can be dispensed with entirely.
  • FIG. 1 is a schematic drawing of a plate heat exchanger reactor according to the invention
  • FIG. 2 shows a side view of the inside of a spiral heat exchanger reactor
  • FIG. 3 shows a further side view of a spiral heat exchanger reactor.
  • Fig. 1 an inventive plate heat exchanger reactor (101) is shown.
  • the strips coated with catalyst have the reference symbol 120.
  • 131 denotes the inlet of the reaction gas into the reactor space, 143 the outlet.
  • Inlet and outlet of the heat exchange by means of cooling fluids are provided with the reference numbers 144 and 142, respectively.
  • Fig. 2 shows a side view of a spiral heat exchanger reactor according to the invention.
  • 131 denotes the feed of the reaction gas into the reactor space (reactor inlet).
  • 132 denotes the reactor space (gap), which receives the catalyst-coated tapes, which fill the entire space in more or less dense packing.
  • 133 denotes the (cooling) gap that is to receive the heat exchange medium / cooling fluid.
  • FIG. 3 shows a side view of a spiral heat exchanger reactor and denotes the arrangement of the inlet and outlet connections.
  • 141 Reaction gas inlet (reactor inlet)
  • 142 Heat exchange medium / cooling fluid outlet
  • 143 Reaction gas outlet (reactor outlet)
  • 144 Inlet
  • Heat exchange medium / cooling fluid Reaction gas and heat exchange medium / cooling fluid are arranged here in counterflow in order to exchange maximum amounts of heat. Is just the amount of heat released at the reactor inlet with regard to z. B. selectivity and catalyst stability critical, an arrangement in the direct current principle is recommended.
  • the reaction is carried out on a silver catalyst.
  • the catalyst according to the invention is coated by coating a metal fabric strip made of heat-resistant stainless steel, material no. 1.4764 (according to the Stahl-Eisenliste, 8th edition, publisher: disclose Deutscher Ironworkers), made with silver in an electron beam deposition system. With this coating technique, the metal fabric tape was coated on both sides with 300 ⁇ m Ag. 50 cm 2 of this catalyst fabric tape were introduced undeformed in the form of a double layer into a 2 mm wide annular gap heat exchanger reactor. The amount of active component was 34 mg silver.
  • MBE 3-methyl-3-buten-l-ol
  • the gaseous reaction product was cooled with cooling brine at a temperature of 0 ° C. and the condensate was collected in a cooled separator.
  • the gaseous fraction of the reaction product was passed through dry ice cooling, with which the low boiler fractions were condensed, for gas chromatographic analysis and then via a gas meter into the exhaust gas.
  • the combined amounts of condensate were separated into an organic and an aqueous phase. Both phases were analyzed. The result was a selectivity of 83% with a turnover of 54%.
  • the selectivity of the comparative example is 10% worse than that of the example according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur weitgehend isothermen Durchführung einer heterogen katalysierten Reaktion in der Gasphase mit hoher Wärmetönung, aufweisend mindestens einen Reaktorraum (101) mit Einlass (131, 141) und Auslass (143), wobei der Reaktorraum durch wärmeabführende Wände begrenzt ist, die einen im wesentlichen konstanten Abstand längs der Hauptströmungsachse eines Reaktionsgases von </= 30 mm aufweisen, der Reaktorraum mit Katalysator beschichteten Bändern (120, 132) bestückt ist, die Bänder in allen Raumrichtungen flexibel und für das Reaktionsgas durchlässig sind, ein Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis von 50 bis 5000 m<2>/m<3> sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, das Reaktionsgas den Reaktorraum mit einer Geschwindigkeit von >/=200 m<3> pro m<2> angeströmte Fläche und pro Stunde durchströmt, und+auf der dem Reaktorraum abgewandten Seite der Reaktorwand ein Wärmeaustauschmittel strömt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen mit Wärmetönung
Die Erfindung betriffl ein Verfahren und eine Vorrichtung zur annähernd isothermen Durchfuhrung von Gasphasenreaktionen mit hoher Wärmetönung, speziell von oxidativen Dehydrierungen, an einem Feststoffkatalysator.
Aus DE-A 42 43 500 ist der Einsatz von speziellen mit Katalysator beschichteten Drahtgestrick-Katalysatoreinsätzen zur Abgasreinigung bekannt. Die Drahtgestricke- oder Drahtgewebelagen sind im gewickelten Zustand thermisch und/oder mechanisch fixiert. Problematisch ist die komplizierte Konstruktion des Katalysatoreinsatzes und der schlechte Wärmetransport innerhalb desselben.
Aus DE-A 41 09 227 ist ein Abgasfilter und/oder Katalysator bekannt (i) mit einem Zufuhrkanal zu einem
(ii) Filter- bzw. Katalysatorkörper aus metallischen Werkstoffen, wobei die
Werkstoffe des Filter- bzw. Katalysatorkörpers einen aus formgepreßten Drähten oder Fasern als Gewirr, Geflecht, Gestrick oder Gewebe oder in
Pulver-, Korn- oder Spanform von Hohlräumen durchsetzten Körper bilden, durch den das Abgas hindurchgeleitet wird, und
(iii) mit einem Ableitungskanal für das durch den Filter- bzw. Katalysatorkörper gereinigte Abgas.
Der Filter- bzw. Katalysatorkörper kann von Wärmeaustauscherrohren bzw. Kanälen quer oder entgegen der durch den Filter- bzw. Katalysatorkörper gerichteten Abgasstromrichtung durchzogen sein. In EP-B 201 614 wird ein Reaktor zur Durchführung von heterogenen, katalysierten chemischen Reaktionen beschrieben, der bandförmige, mindestens teilweise gewellte Katalysatorkörper enthält, deren Wellung schräg zur Hauptströmungsachse geneigt und bei benachbarten Platten entgegengesetzt gerichtet ist, wobei die Wellenlänge der Wellung des Katalysatorkörpers kleiner als die Wellenlänge der benachbarten gewellten Platten und die Oberfläche des Katalysators größer als die Oberfläche einer benachbarten gewellten Platte ist. Der Katalysator kann ein mit einem katalytisch wirksamen Material beschichteter Körper sein, der gegebenenfalls als Drahtgeflecht oder Drahtgewirk ausgebildet sein kann. Die komplizierte Wellung der Platten begünstigt Bypass-Bildung, erschwert Wirbelbildung und beeinträchtigt somit den Stofftransport. Außerdem ermöglicht das vorgesehene kompakte Packungselement keine effektive Abfuhr der Reaktionswärme.
In EP-B 0 305 203 wird die Dmchführung heterogen katalysierter Reaktionen unter nicht-adiabatischen Bedingungen beschrieben. Dazu werden monolithische Katalysatoren in Form von Katalysatorblechen in eine ringförmige Reaktorkammer gebracht, die wärmeabführende Wände besitzt. Die monolithischen Katalysatoren weisen Kanäle auf, die schräg zur Hauptströmungsachse stehen, so dass das Reaktionsfluid im spitzen Winkel von einer Reaktorwand zur anderen geleitet wird. Der Scherstress, der auf das Reaktionsfluid ausgeübt wird, ist in Nähe der Reaktorwand extrem hoch (hoher Druckverlust) und ansonsten eher niedrig (schlechter Stoffiransport). Die Fertigungsweise des Reaktors ist aufwendig, da der Druckverlust entscheidend von der Geometrie zwischen Reaktorwand und monolithischem Katalysator abhängt.
EP-B 0 149 456 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Glyoxylsäureesters durch Oxydehydrierung des entsprechenden Glykolsäureesters in der Gasphase. Dabei kommt ein rohrförmiger Reaktor zum Einsatz, der einen Katalysatorträger aus mindestens einem zylinderförmigen Monolithen aufweist, wobei der Monolith im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie das Reaktorrohr hat und Kanäle mit einem Durchmesser von 1 bis 10 mm enthält, die vom Eingang zum Ausgang des Reaktionsrohrs führen, und wobei 60 bis 90 % des Monolithvolumens von Hohlräumen gebildet wird. Die Kanäle können einen Winkel von 20 bis 70 ° mit der Reaktorachse bilden. Diese Maßnahme leitet das Reaktionsfluid an die Reaktorwände und fördert somit die Abfuhr der Reaktionswärme. Dieses Verfahren weist dieselben Nachteile wie das aus EP-B 0 305 203 bekannte Verfahren auf.
In DE-A 197 25 378 wird ein kompakter Festbettreaktor für katalytische Reaktionen in gasförmiger und/oder flüssiger Phase beschrieben, der von zwei Stoffströmen im Gleich- oder Gegenstrom durchströmt wird. Die Strömungskanäle für die beiden Stof ströme werden hierbei durch ziehharmonikaartige Faltung einer Trennwand gebildet. In den so gebildeten Falten der Trennwand sind Wellstrukturen so angebracht, dass durchgehende Strömungskanäle für die Fluidströme entstehen. Die Wellstrukturen dienen sowohl als Abstandshalter zwischen den gegenüberliegenden Falten der Trennwand als auch als Katalysatorträger und sorgen für einen verbesserten Wärmetransport zu/von der Trennwand. Bei den Wellstrukturen handelt es sich um starre Gebilde, durch deren Abmessungen der minimale Abstand zwischen den Falten der Trennwände als auch die Menge an Katalysator, die auf diesen Wellstrukturen aufgebracht werden kann, limitiert wird. Das Verhältnis von Oberfläche der Wellstrukturen (d. h. des Katalysators) zu Wärmetauschervolumen beträgt maximal 800 m2/m3, wenn man von einer maximal technisch machbaren Knickbreite von 5 mm und einem Kmckwinkel von 90° ausgeht. Zudem ist die Fertigungsweise des Reaktors relativ aufwendig.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Reaktor zur Durchführung von heterogen katalysierten Reaktionen in der Gasphase mit hoher Wärmetönung bereitzustellen, der eine gute Wärmeabfuhr bzw. Wärmezufuhr am Ort der heterogen katalysierten Reaktion bei einem guten Oberfläche-zu- Volumen- Verhältnis des Katalysators ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur weitgehend isothermen Durchführung einer heterogen katalysierten Reaktion in der Gasphase mit hoher Wärmetönung, aufweisend mindestens einen Reaktorraum mit Einlass und Auslass, wobei der Reaktorraum durch wärmeabführende Wände begrenzt ist, die einen im wesentlichen konstanten Abstand längs der Hauptströmungsachse eines Reaktionsgases von ≤ 30 mm aufweisen,
der Reaktorraum mit mit Katalysator beschichteten Bändern bestückt ist,
die Bänder in allen Raumrichtungen flexibel und für das Reaktionsgas durchlässig sind, ein Oberfläche-zu- Volumen- Verhältnis von 50 bis 5000 m2/m3 sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen,
das Reaktionsgas den Reaktorraum mit einer Geschwindigkeit von ≥ 200 m3 pro m2 angeströmte Fläche und pro Stunde durchströmt, und
auf der dem Reaktorraum abgewandten Seite der Reaktorwand ein Wärmeaustauschmittel strömt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich sowohl zur Dwchführung von stark exothermen als auch stark endothermen Reaktionen, da sie eine rasche Wärmeabfuhr bzw. Wärmezufuhr ermöglicht. Als Beispiele für stark endotherme Reaktionen seien oxidative Dehydrierungen wie die von 3-Methyl-3-buten-l-ol genannt, als Beispiele für stark exotherme Reaktionen seien die Hydrierung von Doppel- oder Dreifachbindungen sowie Aromaten wie die Hydrierung von Benzol zu Cyclohexan genannt. Die Enthalpien dieser Reaktionen liegen beispielsweise im Bereich von 30 bis 75 kcal/mol.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es zudem, auch unter Unter- oder Überdruck zu arbeiten, also bei Drücken von 1-10-3 bis 100 bar, insbesondere von 0,5 bis 40 bar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann also in einem weiten Druckbereich eingesetzt werden.
Unter Reaktionsgas versteht man das Gemisch aus gasförmigen Reaktanden und gegebenenfalls zugegebenen weiteren - unter den Reaktionsbedingungen mit den Reaktanden nicht reagierenden - gasförmigen Substanzen. Bei dem Wärmeaustauschmittel kann es sich je nach der gewünschten Temperatur um eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein geschmolzenes Salzbad handeln. Dient das Wärme- austauschmittel zur Aufnahme und zum Abtransport von Wärme, so spricht man auch von einem Kühlfluid. Es lassen sich Temperaturen von -20°C bis 400°C gut realisieren. Durch die schnelle Wärmeabfuhr bzw. Wärmezufuhr, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht wird, ist eine sehr genaue Wärmesteuerung möglich. Beispielsweise können Temperaturen von 370°C ± 10°C, insbesondere ± 5°C, eingestellt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Festbettreaktoren treten ferner bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine Temperaturspitzen auf.
Der Reaktorraum kann sowohl ringförmig, als auch zylindrisch, rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein.
Leicht lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung realisieren, indem in den Spalt eines kommerziell erhältlichen Wärmetauschers die mit Katalysator beschichteten Bänder (Katalysatorbänder) eingebracht werden. Es findet also keine Anpassung des Reaktorrohres an den Katalysator statt, sondern eine Anpassung der Katalysatorbänder an den Reaktionsraum. Es kann jeder beliebige Wärmetauscher verwendet werden. Sowohl Ringspaltwärmetauscher, als auch Plattenwärmetauscher oder Spiralwärmetauscher sind geeignet. Beispiele für Wärmetauscher sind Konstruktionen wie sie in der ISO 15547 oder in W. R. A. Vauck, H. A. Müller, Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik, Verlag Theodor Steinkopff Dresden 1974, 4. Auflage, S. 438-440 oder in VDI Wärmeatlas, VDI Verlag, 3. Auflage, 1977 in Kapitel MB1 (zur Realisierung der in Kapitel CB3 beschriebenen Wärmeübergänge) beschrieben sind. Der Wandabstand und damit die Spaltbreite bzw. der Spaltdurchmesser der eingesetzten Wärmetauscher beträgt vorzugsweise 0,5 bis 30 mm, vor allem 1 bis 20 mm, insbesondere 1,5 bis 10 mm oder 1,8 bis 5 mm.
Werden Ringspaltwärmetauscher verwendet, so werden die Katalysatorbänder in den durch zwei koaxiale Rohre gebildeten Reaktorraum eingebracht und durch die Wand des inneren Rohres und oder des äußeren Rohres gekühlt (bzw. geheizt). Diese erfindungsgemäße Vorrichtung wird auch als "Ringspaltwärmetauscher- Reaktor" bezeichnet. Plattenwärmetauscher weisen einen quadratischen oder rechteckigen Reaktorraum auf, der gegebenenfalls durch zusätzliche wärmeableitende Wände unterteilt ist, die dem Reaktionsgas einen zickzackförmigen Kurs durch den Reaktorraum aufzwingen. Um einen erfindungsgemäßen "Plattenwärmetauscher-Reaktor" zu erhalten, werden in den Reaktorraum die Katalysatorbänder eingebracht, wobei gegebenenfalls an den Stellen der größten Richtungsänderung auf Katalysatorbänder verzichtet wird* um einen zu starken Druckabfall zu vermeiden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die sich eines Spiralwärmetauschers bedient ("Spiral wärmetauscher-Reaktor"), weist einen insbesondere zylindrischen Reaktorraum auf, der möglichst gleichmäßig mit Katalysatorbändern bestückt ist.
Bei den Katalysatorbändern handelt es sich um flächige, glatte Gebilde, die als Gewebe, Gestricke und Gewirke, Lochbleche oder - im Fall von Metall als Werkstoff- als Streckmetall ausgebildet sein können.
Gegebenenfalls können auch Filze oder Folien eingesetzt werden, jedoch müssen diese mit Geweben, Gestricken, Gewirken, Lochblechen oder Streckmetallen kombiniert werden, wobei die Filze oder Folien parallel zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet werden müssen und die Gewebe, Gestricke, Gewirke, Lochbleche oder Streckmetalle als Abstandshalter für die Filze oder Folien dienen. Man kann auch alternierend Filze oder Folien, die parallel zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet sind, mit Geweben, Gestricken, Gewirken, Lochblechen oder Streckmetallen in den Reaktorraum einbringen. Bevorzugt werden Gewebe, Gestricke oder Gewirke eingesetzt.
Die Katalysatorbänder zeichnen sich dadurch aus, dass sie in allen Raumrichtungen flexibel, d. h. biegbar und dehnbar, sind. Es handelt sich somit um unstrukturierte Katalysatorformkörper, die sich leicht den Dimensionen des Reaktorraumes, insbesondere den Spalten kommerzieller Wärmetauscher, anpassen lassen. Bei deren Einsatz ist eine Fixierung sowie eine Ausrichtung an der Hauptströmungsachse nicht erforderlich. Da die Katalysatorbänder in allen Raumrichtungen flexibel sind, fixieren sie sich selbst. Im allgemeinen werden die Katalysatorbänder ohne vorherige Verformung (z. B. durch Aufprägen einer Oberflächenst ikmr wie Wellen mit Hilfe einer Zahnradwalze) einzeln, gerollt oder geschichtet in den Reaktorraum eingebracht. Dies ermöglicht eine höhere Packungsdichte der Katalysatorbänder bei gleichmäßiger Füllung des Reaktorraums und maximaler Unterdrückung unerwünschter Bypassbildung, was sich in einer Erhöhung des Stoffaustausches niederschlägt.
Das Einbringen der Katalysatorbänder erfolgt durch manuelles Legen, Stellen oder Schieben in den Spalt der Wärmetauscher. Limitierender Faktor sind die Dimensionen des Reaktorraums und die Dicke der Katalysatorbänder. Es können sowohl ein als auch mehrere Katalysatorbänder eingebracht werden. Die Katalysatorbänder können sowohl über den gesamten Reaktorraum der Wärmetauscher verteilt werden, als auch nur an - vom Fachmann ausgewählten - Abschnitten positioniert werden. Da die Katalysatorbänder in allen Raumrichtungen flexibel sind, lassen sie sich sowohl dehnen als auch schichten, falten oder rollen.
Unter Dehnen versteht man das In-die-Länge- oder In-die-Breite-Ziehen eines Katalysatorbandes. Während beispielsweise Wellbleche nicht gedehnt werden können, lassen sich die Katalysatorbänder - je nach Werkstoff des Bandes - um bis zu 60% dehnen. Unter Schichten versteht man das Aufeinanderlegen von mindestens zwei Katalysatorbändern, unter Falten das Aufeinanderlegen ein- und desselben Katalysatorbandes, wobei die Richtung des Bandes in bestimmten oder willkürlich gewählten Abschnitten um 180° geändert wird. Die aufeinander geschichteten Katalysatorbänder können gegebenenfalls darüber hinaus noch gefaltet oder gerollt werden.
Die Oberfläche der Katalysatorbänder lässt sich durch stärkeres Falten oder Rollen der Katalysatorbänder erhöhen, ohne dass die Raumbeanspruchung (das Volumen) dieser stärker gefalteten oder gerollten Katalysatorbänder wesentlich erhöht wird. Die Katalysatorbänder weisen ein hohes Oberfläche-zu- Volumen- Verhältnis von 50 bis 5000 m /m auf. Ein derart hohes Oberfläche-zu- Volumen-
Auflage, 1977, Kapitel CB3) und damit eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die Reaktionswärme schnell von den Katalysatorbändern an die Reaktionswände und umgekehrt abgegeben wird. Vorteilhaft für einen schnellen Wärmetransport sind zudem die geringen Wandabstände des Reaktorraums, die im allgemeinen ≤ 30 mm, bevorzugt ≤ 20 mm, besonders bevorzugt ≤ 10 mm sind. Das Volumen des Reaktorraumes ist durch das Volumen des Spalte kommerzieller Wärmetauscher vorgegeben.
Die Katalysatorbänder sind zudem mechanisch sehr stabil, so dass die heterogen katalysierten Reaktionen in der Gasphase auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Reaktionsgases durchgeführt werden können, ohne dass es zu einem nennenswerten Abrieb des Katalysators kommt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich auch bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten verwenden, doch ist sie gerade bei Strömungsgeschwindigkeiten ≥ 200
3 5 — , insbesondere bei Strömungsgeschwindigkeiten ≥ 300 angeströmteFläche m ] h m und vor allem bei Strömungsgeschwindigkeiten ≥ angeströmteFläche[m ] h m
1000 = — den herkömmlichen Reaktoren mit angeströmteFläche[m ] h
Katalysatormonolithen oder Katalysatorschüttgut überlegen. Die Strömungsgeschwindigkeit wird je nach Verfahren (Arbeiten bei Unter-, Normal- oder Überdruck) und in Abhängigkeit von dem Verhältnis Volumen der Katalysatorbänder zu Volumen des Reaktorraumes gewählt. In der nicht mit Katalysatorbändern bestückten erfindungsgemäßen Apparatur lassen sich Gasströmungsgeschwindigkeiten bis zu 70 m/s realisieren. Typische Werte für Gasströmungsgeschwindigkeiten in Wärmetauschern sind 40 m/s. In der mit Katalysatorbändern bestückten erfindungsgemäßen Apparatur lässt sich mit m Strömungsgeschwindigkeiten von 200 bis 15000 5 — , angeströmteFläche[m ] h insbesondere mit Strömungsgeschwindigkeiten von 300 bis 15000 m und vor allem mit Strömungsgeschwindigkeiten von angeströmteFläche[m ] h m
1000 bis 15000 — arbeiten. Die angegebenen angeströmteFläche m h Geschwindigkeiten sind Leerrohrgeschwindigkeiten, die mit einer Gasuhr bestimmt wurden.
Derart hohe Strömungsgeschwindigkeiten sind mit Katalysatorschüttgut nicht nur wegen des Abriebs, sondern auch wegen des damit verbundenen hohen Druckabfalls nicht realisierbar. Da man bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen durch Wahl der geeigneten Strömungsgeschwindigkeit einen nennenswerten Druckabfall vermeiden kann, sind in diesem Fall auch keine Kompressoren zur Ausgleichung des Druckverlustes notwendig, so dass bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zur Verwendung von herkömmlichen Reaktoren zusätzliche Kosten eingespart werden können.
Aufgrund der mechanischen Stabilität der Katalysatorbänder lassen sich diese auch einfach aus den Reaktorräumen entfernen und austauschen, ohne mit den bei Katalysatorschüttgut verbundenen Problemen der Entfernung des feinen Abriebs des Katalysators.
Erstaunlicherweise bleibt bei Verwendung derart unstrukturierter Katalysatorbänder die Selektivität der heterogen katalysierten Reaktionen in der Gasphase erhalten bzw. wird durch den raschen Wärmetransport gegebenenfalls sogar verbessert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist darüber hinaus zur Aufrechterhaltung einer hohen aber gleichmäßigen Scherbelastung des Reaktionsgases ausgestaltet. Zum einen hält sie - wie bereits oben erwähnt - einer hohen Querschnittsbelastung stand, ohne dass es zur Zermahlung des Katalysators kommt. Zum anderen wird das Reaktionsgas in dem mit Katalysatorbändern versehenen Reaktorraum einer gleichmäßig hohen Scherbelastung ausgesetzt. Hierdurch kommt es zu einer gleichmäßigen Durchwirbelung des Reaktionsgases und damit zu einer Konstanthaltung des Vermischungsgrades des Reaktionsgases bei der Passage durch den Reaktorraum. Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten und die gute Durchmischung des Reaktionsgases lassen sich mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ebenso hohe Umsätze wie mit herkömmlichen Reaktoren erzielen, wobei - im Vergleich zur Durchführung der Reaktionen in herkömmlichen Reaktoren - bei Durchführung der Reaktionen in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen der Katalysatorbedarf niedriger ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass keine aufwendige Strukturierung des Katalysators oder Katalysatorträgers vonnöten ist, so dass wiederum Kosten eingespart werden können.
Die Katalysatorbänder haben in der Regel eine Feinstruktur. Im Fall der Gewebe und Gestricke besteht die Feinstruktur in den durch den Draht bzw. Faden gebildeten Rechtecken, die jeweils die Seiten miteinander teilen. Der Stellwinkel, den eine Seite von den beiden ein Rechteck bildenden Seiten mit der Hauptströmungsachse des Reaktionsgases bilden, ist sogar bevorzugt zufallsverteilt. Mit dem Begriff des zufallsverteilten Stellwinkels ist gemeint, dass die Katalysatorbänder so in den Reaktorraum gebracht werden, dass idealerweise alle möglichen Stellwinkel realisiert werden und dass folglich idealerweise ein chaotisches Maschenwerk entsteht. Bei einem solchen chaotischen Maschenwerk ist die Abfolge von Hohlräumen, Drähten oder Fäden im Reaktorraum durch die zufallige Orientierung der Katalysatorbänder regellos. Dadurch wird die Bypass- Bildung innerhalb des Reaktors minimiert und der Wärme- und Stoffaustausch infolge einer turbulenten Strömung maximiert.
Die für das Band (den Träger) verwendeten Werkstoffe werden entsprechend den im Laufe der Herstellung, Umarbeitung und Benutzung auftretenden Verformungen unter den metallischen und keramischen Werkstoffen und Kunststoffen ausgewählt. Generell sind solche metallischen und keramischen Werkstoffe und Kunststoffe geeignet, die fasrige Strukturen bilden. Beispiele für solche metallischen Werkstoffe sind Reinmetalle wie Eisen, Kupfer, Nickel, Silber, Aluminium und Titan oder Legierungen wie Stähle, etwa Nickel-, Chrom-, und/oder Molybdänstahl, Messing, Phosphorbronze, Monel und/oder Neusilber. Beispiele für keramische Werkstoffe sind Aluminiumoxid, Siliciumdioxid (Glasfasern), Zirkondioxid und/oder Kohlenstoff. Beispiele für Kunststoffasern sind solche aus Polyamiden, Polyethern, Polyvinyl, Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyketonen, Polyethersulfonen, Epoxidharzen, Alkydharzen, Harnstoff- und/oder Melaminharzen. Bevorzugt sind Metalle, Asbestersatzstoffe, Glasfasern, Kohlefasern und/oder Kunststoffe, insbesondere Metalle, also Reinmetalle und Legierungen, da diese einen sehr guten Wärmeübergangskoeffizienten haben. Ganz besonders bevorzugt sind preiswerte Edelstahle, die entsprechend katalytisch beschichtet werden. Bei den erfindungsgemäß mit Katalysator beschichteten Bändern handelt es sich insbesondere um Metallgewebe oder Metallgestricke. Im Rahmen der Erfindung wird unter Metallgestricken ein Flechtwerk aus Metall verstanden, das durch einen umlaufenden Metallfaden gebildet wird. Unter Metallgewebe hingegen wird ein Flechtwerk aus mindestens zwei Metallfäden verstanden. Der Drahtdurchmesser beträgt im Fall der Metallgewebe oder Metallgestricke im allgemeinen 0,01 bis 5,0 mm, bevorzugt 0,04 bis 1,0 mm. Die Maschenweite kann über einen weiten Bereich variiert werden.
Die Katalysatorbänder können nach dem in der US-A 4 686 202 und in der EP-B 0 965 384 beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Katalysatorbänder in der Ausführung als Metallgewebe können ferner nach dem in der EP-B 0 564 830 beschriebenen Verfahren beschichtet werden. Die Beschichtung von Metallgestricken mit Katalysator ist in EP-B 0 564 830 nicht explizit beschrieben, es ist jedoch wie bei Metallgeweben zu verfahren. Die Beschichtung von Metallgeweben oder -gestricken mit Katalysatoren kann auch durch herkömmliche Tauchverfahren erfolgen, z.B. nach dem in EP-A 0 056 435 beschriebenen Verfahren. Auf US-A 4 686 202, EP-B 0 965 384, EP-B 0 564 830 und EP-A 0 056 435 wird vollinhaltlich Bezug genommen.
Ist das Metall, aus welchem das Metallgewebe oder -gestrick besteht (eventuell nach einer Behandlung) selbst katalytisch aktiv, so kann auf eine Beschichtung gänzlich verzichtet werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 bis 3 näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Schemazeichnung eines erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher- Reaktors,
Fig. 2 eine Seitenaufsicht auf das Innere eines Spiralwärmetauscher-Reaktors, Fig. 3 eine weitere Seitenansicht auf einen Spiralwärmetauscher-Reaktor.
In Fig. 1 wird ein erfindungsgemäßer Plattenwärmeaustauscher-Reaktor (101) gezeigt. Die mit Katalysator beschichteten Bänder tragen das Bezugszeichen 120. 131 bezeichnet den Zulauf des Reaktionsgases in den Reaktorraum, 143 dessen Ablauf. Zu- und Ablauf des Wärmeaustausch ittels Kühlfluids sind mit den Bezugszeichen 144 beziehungsweise 142 versehen.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht auf einen erfindungsgemäßen Spiralwärmetauscher-Reaktor. 131 bezeichnet den Zulauf des Reaktionsgases in den Reaktorraum (Reaktoreinlass). 132 bezeichnet den Reaktorraum (Spalt), der die mit Katalysator beschichteten Bänder aufnimmt, die in mehr oder weniger dichter Packung den gesamten Raum ausfüllen. 133 bezeichnet den (Kühl)Spalt, der das Wärmeaustauschmittel/Kühlfluid aufnehmen soll.
Fig. 3 stellt eine Seitenansicht auf einen Spiralwärmetauscher-Reaktor dar und bezeichnet die Anordnung der Zulauf- und Ablaufstutzen. 141: Zulauf Reaktionsgas (Reaktoreinlass), 142: Ablauf Wärmeaustauschmittel/Kühlfluid, 143: Ablauf Reaktionsgas (Reaktorauslass), 144: Zulauf
Wärmeaustauschmittel/Kühlfluid. Reaktionsgas und Wärmeaustauschmittel/Kühlfluid sind hier im Gegenstrom angeordnet, um maximale Wärmemengen auszutauschen. Ist gerade die am Reaktoreintritt freigesetzte Wärmemenge in Hinblick auf z. B. Selektivität und Katalysatorstabilität kritisch, ist eine Anordnung im Gleichstromprinzip empfehlenswert.
Das nachfolgende Beispiel erläutert die Erfindung zusätzlich.
Beispiel
Oxidation von 3-Methyl-3-buten-l-ol zu 3-Methyl-2-butenal in der Gasphase gemäß Gleichung I
Figure imgf000013_0001
Die Reaktion wird an einem Silberkatalysator durchgeführt. Der erfindungsgemäße Katalysator wird durch Beschichtung eines Metallgewebebandes aus hitzebeständigem Edelstahl, Werkstoff-Nr. 1.4764 (nach der Stahl-Eisenliste, 8. Auflage, Herausgeber: Verein Deutscher Eisenhüttenleute), mit Silber in einer Elektronenstrahlbedampfungsanlage hergestellt. Mit dieser Beschichtungstechnik wurde das Metallgewebeband beidseitig mit 300 um Ag beschichtet. Von diesem Katalysatorgewebeband wurden 50 cm2 in Form einer Doppellage unverformt in einen 2 mm breiten Ringspaltwärmetauscher-Reaktor eingeführt. Die Menge an Aktivkomponente betrug 34 mg Silber. Zur oxidativen Dehydrierung von 3-Methyl-3-buten-l-ol (MBE) wurde ein Gemisch aus 85 Gew.-% MBE und 15 Gew.-% H2O bei 150°C verdampft, mit vorgewärmter Luft vermischt und mittels eines Vorheizers auf eine Eingangstemperatur von 370°C überhitzt.
Das gasförmige Reaktionsprodukt wurde nach Verlassen des Ringspaltes mit Kühlsole einer Temperatur von 0°C abgekühlt und das Kondensat in einem gekühlten Abscheider gesammelt. Der gasförmige Anteil des Reaktionsproduktes gelangte über eine Trockeneiskühlung, mit der die Leichtsiederanteile kondensiert wurden, zur gaschromatographischen Analyse und danach über eine Gasuhr ins Abgas. Die vereinigten Kondensatmengen wurden in eine organische und eine wässrige Phase getrennt. Beide Phasen wurden analysiert. Daraus ergab sich als Ergebnis eine Selektivität von 83% bei einem Umsatz von 54%.
Vergleichsbeispiel
Anstelle des Ringspaltwärmetauscher-Reaktors im Beispiel wird in die gleiche Anlage ein Festbettreaktor mit einer 30 mm hohen Silbergranulatschicht entsprechend der DE-A 27 15 209 eingebaut und die Umsetzung von MBE analog zum Beispiel durchgeführt. Die Ergebnisse sind in folgender Tabelle zusammengestellt:
Figure imgf000015_0001
Man erkennt, dass bei gleichem Umsatz die Selektivität des Vergleichsbeispiels um 10% schlechter als die des erfindungsgemäßen Beispiels ist.
Außerdem ist das erfindungsgemäße Beispiel wirtschaftlicher, da nur 0,034 g
Silber statt 17 g -Silber eingesetzt werden mussten. Für die Wirtschaftlichkeit spricht darüber hinaus, dass durch das Arbeiten bei höheren
Strömungsgeschwindigkeiten auch ein höherer Umsatz pro Stunde erzielt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur weitgehend isothermen Durchführung einer heterogen katalysierten Reaktion in der Gasphase mit hoher Wärmetönung, aufweisend mindestens einen Reaktorraum (101) mit Einlass (131, 141) und Auslass (143), wobei
- der Reaktorraum durch wärmeabführende Wände begrenzt ist, die einen im wesentlichen konstanten Abstand längs der Hauptströmungsachse eines
Reaktionsgases von ≤ 30 mm aufweisen,
- der Reaktorraum mit mit Katalysator beschichteten Bändern (120, 132) bestückt ist,
- die Bänder in allen Raumrichtungen flexibel und für das Reaktionsgas durchlässig sind, ein Oberfläche-zu- Volumen- Verhältnis von 50 bis 5000 m2/m3 sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen,
- das Reaktionsgas den Reaktorraum mit einer Geschwindigkeit von ≥ 200 m3 pro m2 angeströmte Fläche und pro Stunde durchströmt, und
- auf der dem Reaktorraum abgewandten Seite der Reaktorwand ein Wärmeaustauschmittel strömt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorraum durch den Spalt eines Wärmetauschers gebildet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorraum durch den Spalt eines Spiral-, Platten- oder
Ringspaltwärmetauschers gebildet wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder aus Metallen, Asbestersatzstoffen, Glasfasern, Kohlefasern und/oder Kunststoffen geformt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder (120, 132) durch ein Metallgewebe oder ein Metallgestrick gebildet werden.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass infolge der zufalligen Orientierung der Bänder (120, 132) gegenüber der Hauptströmungsachse des Reaktionsgases die Abfolge von Hohlräumen, Drähten oder Fäden im Reaktorraum regellos ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandabstand im Reaktorraum 0,5 bis 30 mm, bevorzugt 1 bis 20 mm, besonders bevorzugt 1,5 bis 10 mm, beträgt.
8. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Verfahren zur Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden in der Gasphase.
9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Verfahren zur Oxidation von 3-Methyl-3-buten-l-ol zu 3-Methyl-2-butenal in der Gasphase gemäß Gleichung I
Figure imgf000017_0001
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