WO2004015278A1 - Use of a flow distributor in multi-phase mixtures - Google Patents

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Hans-Georg Göbbel
Gerd Kaibel
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Basf Aktiengesellschaft
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    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/001—Flow of fluid from conduits such as pipes, sleeves, tubes, with equal distribution of fluid flow over the evacuation surface
    • 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
    • B01J8/0015—Feeding of the particles in the reactor; Evacuation of the particles out of the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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
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    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00743—Feeding or discharging of solids
    • B01J2208/00752—Feeding

Definitions

  • the present invention relates to the use of a flow distributor which has 2 to 20 nested, conical sheets for distributing two- or three-phase flows when changing the cross-sectional area of a pipeline or when entering a reactor.
  • a flow profile that is as uniform as possible in apparatus or pipelines is an important prerequisite for achieving the desired performance. This is becoming increasingly difficult with increasing component diameters.
  • air and ammonia are metered in a certain ratio, mixed using static mixers and then fed with the help of the flow distributor from och-Glitsch to a reactor in which the conversion of ammonia and air to nitrogen monoxide takes place on a hot platinum network (Oswald process ).
  • the flow distributor used according to the invention has a funnel-shaped system in which 2 to 20, preferably 3 to 5, conical sheets are pushed one into the other.
  • the circular or annular partial surfaces of the flow distributors are preferably of the same size.
  • Well-suited flow distributors are e.g. manufactured and distributed by the Koch-Glitsch company. You will e.g. described in the Koch-Glisch information brochure, product information "For a uniform flow rate.
  • Multi-phase flows occur e.g. in hydrogenations in reactors with thin-film catalysts or in suspension mode in packed bubble columns.
  • the mixture to be distributed essentially consists of hydrogen (gas phase), the starting material to be hydrogenated (liquid phase) and, if appropriate, additionally the catalyst required for the hydrogenation, which is suspended in the mixture.
  • Preferred areas of application for the use according to the invention are, for example, processes in which a gas-carrying solid suspension is used for the hydrogenation of an unsaturated hydrocarbon, which may also contain further functional groups such as carbonyl groups.
  • the hydrogenation can relate both to the selective hydrogenation of one or more CC double bonds in the presence of carbonyl groups, or to the selective hydrogenation of one or more carbonyl functions in the presence of CC double bonds.
  • a noble metal supported on activated carbon such as Pd, Pt or Ru can be used as catalysts.
  • the undesired coalescence of the gas bubbles during the change in cross section can advantageously be prevented.
  • the gas and liquid content was approximately 48% each, the solids content approximately 4%.
  • the throughput of the gas and the liquid was based on the diameter of the reactor (DN 250) in each case approximately 200 m 3 / (m 2 h).
  • the measure according to the invention made it possible to achieve a very high space-time yield in the reactor (conversion of product based on the volume of the reactor and time).

Abstract

The invention relates to the use of flow distributors comprising 2 - 20 cone-shaped sheet metals which are inserted into each other for the distribution of two-phase or three-phase flows during the modification of the cross-section surface of a pipe or during the insertion into a reactor.

Description

Verwendung eines Strömungsverteilers in mehrphasigen GemischenUse of a flow distributor in multi-phase mixtures
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Strömungsverteilers, welcher 2 bis 20 ineinandergeschobene, konusförmige Bleche aufweist, zur Verteilung von zwei- oder dreiphasigen Strömungen bei der Veränderung der Querschnittsfläche einer Rohr- leitung oder bei dem Eintrag in einen Reaktor.The present invention relates to the use of a flow distributor which has 2 to 20 nested, conical sheets for distributing two- or three-phase flows when changing the cross-sectional area of a pipeline or when entering a reactor.
Ein möglichst gleichmäßiges Strömungsprofil in Apparaten bzw. Rohrleitungen ist eine wichtige Voraussetzung, um die gewünschten Leistungen zu erreichen. Dies gestaltet sich mit zunehmenden Bau- teildurchmessern immer schwieriger.A flow profile that is as uniform as possible in apparatus or pipelines is an important prerequisite for achieving the desired performance. This is becoming increasingly difficult with increasing component diameters.
Beim Eintritt einer Strömung in einen Reaktor oder bei vergrößernden Rohrquerschnitten kommt es aufgrund der Querschnittsveränderung (Vergrößerung oder Verkleinerung) zu einer Ungleichver- teilung der Strömung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. DieWhen a flow enters a reactor or in the case of enlarging pipe cross sections, the cross section change (enlargement or reduction) leads to an uneven distribution of the flow, as shown in FIG. 1. The
Strömung ist am Rand deutlich langsamer als in der Mitte. Am Rand kann es im Extremfall sogar zu einer Strömungsumkehr und somit zu einer deutlichen Rückvermischung kommen.Current is much slower at the edge than in the middle. In extreme cases, there may even be a flow reversal at the edge and thus a significant backmixing.
Es ist bekannt, in einphasigen Strömungen bei solchen Querschnittsveränderungen Einbauten, einzusetzen die bei ihrer Durchströmung einen deutlichen Druckverlust erzeugen. Aufgrund des Druckverlustes kommt es zu einer Glättung der Strömung über den Querschnitt . Als Beispiele können hier Siebböden, Lochblenden, Prallplatten genannt werden. Eine Alternative stellen ineinandergeschobene konusförmige Verteiler, wie sie z.B. von der Firma Koch-Glisch vertrieben werden, dar. Diese Verteiler begegnen bei einphasigen Strömungen bei Erweiterung des Querschnitts der unerwünschten Verzerrung des Strömungsbildes . Als Beispiel kann hier der Einsatz eines solchen Strömungsverteilers bei der Synthese von Salpetersäure genannt werden. Hier werden Luft und Ammoniak in einem bestimmten Verhältnis dosiert, über statische Mischer gemischt und dann mit Hilfe des Strömungsverteilers der Firma och-Glitsch in einen Reaktor geleitet, bei dem an einem heißen Platinnetz die Umsetzung von Ammoniak und Luft zu Stickstoffmonoxid erfolgt (Oswald-Verfahren) .It is known to use internals in single-phase flows in the case of such cross-sectional changes which produce a significant pressure loss when they flow through them. Due to the pressure loss, the flow is smoothed over the cross-section. Sieve trays, perforated screens, baffle plates can be mentioned here as examples. An alternative are nested conical distributors, e.g. are sold by the Koch-Glisch company. These distributors encounter the undesirable distortion of the flow pattern in single-phase flows by expanding the cross section. The use of such a flow distributor in the synthesis of nitric acid can be mentioned here as an example. Here, air and ammonia are metered in a certain ratio, mixed using static mixers and then fed with the help of the flow distributor from och-Glitsch to a reactor in which the conversion of ammonia and air to nitrogen monoxide takes place on a hot platinum network (Oswald process ).
Diese Anwendung wird im Fall mehrphasiger Strömungen vom Fachmann jedoch nicht in Betracht gezogen, da hier zu befürchten ist, dass es beim Einsatz der Verteiler zu einer unerwünschten Phasen-Auftrennung der Strömung kommt. Es besteht zu befürchten, dass Gasphase, flüssige bzw. feste Phase voneinander getrennt werden, so dass beispielsweise die Leistungsfähigkeit des nachfolgend ungleichmäßig durchströmten Reaktors deutlich verringert wird.However, in the case of multi-phase flows, this application is not considered by the person skilled in the art, since it is to be feared here that an undesirable phase separation of the flow will occur when using the distributors. There is fear that the gas phase, liquid or solid phase will be separated from one another, so that, for example, the performance of the subsequently unevenly flowed through reactor is significantly reduced.
Es wurde überraschend gefunden, dass die Verwendung von Strö- mungsverteilern, welche 2 bis 20 ineinandergeschobene, konusförmige Bleche aufweisen, wie sie z.B. von ddr Fa. Koch-Glitsch geliefert werden, auch zur Verteilung von zwei- oder dreiphasigen Strömungen bei der Veränderung der Querschnittsfläche einer Rohrleitung oder bei dem Eintrag in einen Reaktor ohne spürbare Stö- rung des Strömungsbildes eine gute Verteilung innerhalb einer sehr kurzen Strecke ermöglichen. Es ist möglich, eine gute Verteilung auch bei einer Vergrößerung des Querschnitts um mehr als Faktor 15, bevorzugt mehr als Faktor 25 zu erzielen. Hierbei wird eine gute Verteilung bereits innerhalb einer Strecke erreicht, die zur mechanischen Realisierung der Durch esservergrößerung s benötigt wird.It has surprisingly been found that the use of flow distributors which have 2 to 20 nested conical sheets, such as are used, for example, supplied by ddr Koch-Glitsch, also for the distribution of two- or three-phase flows when changing the cross-sectional area of a pipeline or when entering a reactor without a noticeable disturbance of the flow pattern, allowing a good distribution within a very short distance. It is possible to achieve a good distribution even if the cross section is enlarged by more than 15, preferably more than 25. Here, a good distribution is already achieved within a distance which is required for the mechanical realization of the diameter enlargement s.
Der erfindungsgemäß eingesetzte Strömungsverteiler weist ein trichterförmiges System auf, bei welchem 2 bis 20, bevorzugt 3 bis 5 konusförmige Bleche ineinander geschoben sind. Bevorzugt sind die kreis- bzw. ringförmigen Teilflächen der Strömungsverteiler gleich groß. Gut geeignete Strömungsverteiler werden z.B. von der Firma Koch-Glitsch hergestellt und vertrieben. Sie werden z.B. in der Informationsbroschüre der Fa. Koch-Glisch, Produkt- Information " Für eine einheitliche Strömungsgeschwindigkeit beschrieben.The flow distributor used according to the invention has a funnel-shaped system in which 2 to 20, preferably 3 to 5, conical sheets are pushed one into the other. The circular or annular partial surfaces of the flow distributors are preferably of the same size. Well-suited flow distributors are e.g. manufactured and distributed by the Koch-Glitsch company. You will e.g. described in the Koch-Glisch information brochure, product information "For a uniform flow rate.
Mehrphasige Strömungen treten z.B. bei Hydrierungen in Reaktoren mit Dünnschichtkatalysatoren oder in Suspensionsfahrweise in ge- packten Blasensäulen auf. Hier besteht das zu verteilende Gemisch im wesentlichen aus Wasserstoff (Gasphase) , dem zu hydrierenden Edukt (flüssige Phase) sowie gegebenenfalls zusätzlich für die Hydrierung benötigten Katalysator, der in dem Gemisch suspendiert ist.Multi-phase flows occur e.g. in hydrogenations in reactors with thin-film catalysts or in suspension mode in packed bubble columns. Here the mixture to be distributed essentially consists of hydrogen (gas phase), the starting material to be hydrogenated (liquid phase) and, if appropriate, additionally the catalyst required for the hydrogenation, which is suspended in the mixture.
Bevorzugte Einsatzgebiete für die erfindungsgemäße Verwendung sind beispielsweise Verfahren, bei denen eine gasführende FeststoffSuspension zur Hydrierung eines ungesättigten Kohlenwasserstoffs, der noch weitere funktionale Gruppen wie Carbonylgruppen enthalten kann, eingesetzt wird. Die Hydrierung kann sich dabei sowohl auf die selektive Hydrierung einer oder der mehreren C-C - Doppelbindungen bei Anwesenheit von Carbonylgruppen, oder auf die selektive Hydrierung einer oder mehrer Carbonylfunktionen bei Anwesenheit von C-C-Doppelbindungen beziehen. Als Katalysatoren kann ein auf Aktivkohle geträgertes Edelmetall wie Pd, Pt oder Ru eingesetzt werden.Preferred areas of application for the use according to the invention are, for example, processes in which a gas-carrying solid suspension is used for the hydrogenation of an unsaturated hydrocarbon, which may also contain further functional groups such as carbonyl groups. The hydrogenation can relate both to the selective hydrogenation of one or more CC double bonds in the presence of carbonyl groups, or to the selective hydrogenation of one or more carbonyl functions in the presence of CC double bonds. A noble metal supported on activated carbon such as Pd, Pt or Ru can be used as catalysts.
Die erfindungsgemäße Verwendung des ineinandergeschobenen konus- 5 förmigen Strömungsverteilers in mehrphasigen Strömungen führt zu einer raschen Vergleichmäßigung der Strömung, wie sie exemplarisch in Figur 2 dargestellt ist. Dieser Vorteil wird ohne spürbare Störung des Strömungsbildes erreicht und führt zu verfahrenstechnischen Vorteilen wie z.B. Vergrösserung der Raum-The use according to the invention of the nested, conical flow distributor in multiphase flows leads to rapid equalization of the flow, as is exemplarily shown in FIG. This advantage is achieved without a noticeable disturbance in the flow pattern and leads to process engineering advantages such as Enlargement of the room
10 Zeit-Ausbeute [kg umgesetztes Produkt / (m3 Reaktorvolumen*Zeit) ] der Reaktoren und Verringerung unerwünschter Rückvermischungen, die oft direkt mit Selektivitätssteigerungen verbunden sind. Besonders wirkungsvoll kommen die Vorteile zum Tragen, wenn das System zur Koaleszenz der ursprünglich gebildeten Gasblasen neigt. Durch die10 time yield [kg to ges et such tes product / (m 3 to reac rv o l ume n * time)] of the reactors and reducing unwanted back-mixing, which are often associated directly with increases in selectivity. The advantages are particularly effective if the system tends to coalesce the gas bubbles originally formed. Through the
15 erfindungsgemäße Verwendung des Strömungsverteilers kann die unerwünschte Koaleszenz der Gasblasen während der Querschnittsveränderung vorteilhafterweise verhindert werden.With the use of the flow distributor according to the invention, the undesired coalescence of the gas bubbles during the change in cross section can advantageously be prevented.
Beispiel 20Example 20
Bei der Hydrierung einer α, ß-ungesattigten CarbonylVerbindung in Suspensionsfahrweise in einer gepackten Blasensäule wurde ein Strömungsverteiler der Firma Koch-Glitsch bestehend aus 4 ineinandergeschobenen, konzentrischen, konusförmigen Blechen zurDuring the hydrogenation of an α, β-unsaturated carbonyl compound in the suspension mode in a packed bubble column, a flow distributor from Koch-Glitsch consisting of 4 nested, concentric, conical sheets was used
25 Gleichverteilung der dreiphasigen Strömung enthaltend eine Gasphase (Wasserstoff) , Flüssigphase (das zu hydrierende Edukt, α, ß-ungesattigte CarbonylVerbindung in alkoholischer Lösung) und suspendierten Feststoff (auf Aktivkohle geträgerter Edelmetallkatalysator, Pd auf Kohle) für die Querschnittserweiterung von DN25 Uniform distribution of the three-phase flow containing a gas phase (hydrogen), liquid phase (the starting material to be hydrogenated, α, ß-unsaturated carbonyl compound in alcoholic solution) and suspended solid (noble metal catalyst supported on activated carbon, Pd on carbon) for the cross-sectional expansion of DN
30 50 auf DN 250 eingesetzt. Der Gas- und Flüssigkeitsanteil lagen dabei bei jeweils etwa 48%, der Feststoffanteil bei etwa 4%. Der Durchsatz des Gases und der Flüssigkeit betrug bezogen auf den Durchmesser des Reaktors (DN 250) jeweils ca. 200m3/ (m2h) .30 50 used on DN 250. The gas and liquid content was approximately 48% each, the solids content approximately 4%. The throughput of the gas and the liquid was based on the diameter of the reactor (DN 250) in each case approximately 200 m 3 / (m 2 h).
35 Durch die erfindungsgemäße Maßnahme konnte eine sehr hohe Raum- Zeit-Ausbeute im Reaktor (Umsatz an Produkt bezogen auf Volumen des Reaktors und Zeit) erreicht werden.35 The measure according to the invention made it possible to achieve a very high space-time yield in the reactor (conversion of product based on the volume of the reactor and time).
Ohne Verwendung der Strömungsverteiler wurde nur etwa 85% der im 40 erfindungsgemäßen Beispiel erzielten Raum-Zeit-Ausbeute erreicht. Auch der Einsatz von üblichen, über den Druckverlust arbeitenden Strömungsverteilern führte zu einer Verschlechterung der Raum- Zeit-Ausbeute .Without using the flow distributors, only about 85% of the space-time yield achieved in the example according to the invention was achieved. The use of conventional flow distributors operating via the pressure loss also led to a deterioration in the space-time yield.
45 45

Claims

Patentansprüche claims
1. Verwendung von Strömungsverteilern, welche 2 bis 20 ineinan- dergeschobene, konusförmige Bleche aufweisen, zur Verteilung von zwei- oder dreiphasigen Strömungen bei der Veränderung der Querschnittsfläche einer Rohrleitung oder bei dem Eintrag in einen Reaktor .1. Use of flow distributors which have 2 to 20 nested conical plates for distributing two- or three-phase flows when changing the cross-sectional area of a pipeline or when entering a reactor.
2. Verwendung der Strömungsverteiler gemäß Anspruch 1, wobei die kreis- bzw. ringförmigen Teilflächen der Strömungsverteiler gleich groß sind.2. Use of the flow distributor according to claim 1, wherein the circular or annular partial surfaces of the flow distributor are of the same size.
3. Verwendung der Strömungsverteiler gemäß Ansprüchen 1 oder 2, wobei 3 bis 5 konusförmige Bleche ineinander geschoben sind.3. Use of the flow distributor according to claims 1 or 2, wherein 3 to 5 conical sheets are pushed into one another.
4. Verwendung der Strömungsverteiler gemäß Ansprüchen 1 bis 3 , wobei das strömende Gemisch neben einer gasförmigen und flüssigen Phase auch darin suspendierten Katalysator enthält.4. Use of the flow distributor according to claims 1 to 3, wherein the flowing mixture contains not only a gaseous and liquid phase but also catalyst suspended therein.
5. Verwendung der Strömungsverteiler gemäß Ansprüchen 1 bis 4, wobei die Querschnittsfläche der Rohrleitung bzw. bei Eintragung in den Reaktor um den Faktor 15 oder mehr erweitert wird.5. Use of the flow distributor according to claims 1 to 4, wherein the cross-sectional area of the pipeline or upon entry into the reactor is expanded by a factor of 15 or more.
6. Verwendung der Strömungsverteiler gemäß Ansprüchen 1 bis 5, wobei die gasführende FeststoffSuspension zur Hydrierung eines ungesättigten Kohlenwasserstoffs eingesetzt wird.6. Use of the flow distributor according to claims 1 to 5, wherein the gas-carrying solid suspension is used for the hydrogenation of an unsaturated hydrocarbon.
7. Verwendung der Strömungsverteiler gemäß Ansprüchen 1 bis 6, wobei als Katalysator ein auf Aktivkohle geträgertes Edelmetall eingesetzt wird. 7. Use of the flow distributor according to claims 1 to 6, wherein a noble metal supported on activated carbon is used as the catalyst.
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