WO2005016507A1 - Reaktor für gasphasenreaktionen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a reactor for gas phase reactions with one or more exothermic and / or endothermic reaction steps in the presence of a heterogeneous particulate catalyst.
  • Heterogeneously catalyzed gas phase reactions produce numerous basic and intermediate products on an industrial scale. Often heat has to be added or removed, often by indirect heat transfer with a heat transfer medium separated from the reaction mixture. Thus, in particular for heterogeneous gas phase oxidations in the temperature range above 250 ° C., tube-bundle reactors with salt bath cooling are used. Disadvantages of this technology are the high investment costs and the formation of selectivity-reducing hot spots in the individual contact tubes filled with shaped catalyst bodies.
  • Fluidized bed reactors in which small catalyst particles are used are also known. Although they do not have any hot spots and reduced concentration gradients in the catalyst particle, they usually also require complex installations for heat dissipation. In addition, abrasion-resistant catalysts have to be developed for this, catalyst dust accumulates and fouling on downstream heating surfaces and apparatus is problematic. Since the fluidized bed reactor is not backmixing-free, subsequent reactions must not play a significant role.
  • the solution consists in a reactor for gas phase reactions with one or more exothermic and / or endothermic reaction steps, in the presence of a heterogeneous particulate catalyst, formed from one or more perforated plates made of a material with a thermal conductivity coefficient greater than 30 W / m • K of a thickness greater than 5 mm and with openings completely penetrating the perforated plate for receiving the heterogeneous particulate catalyst and a shell which covers the perforated plate te (n) surrounds on all sides, such that each perforated plate separates the enveloped space into a gas inlet area and a gas outlet area, which are connected to each other only via the openings of the perforated plate.
  • a heterogeneous particulate catalyst formed from one or more perforated plates made of a material with a thermal conductivity coefficient greater than 30 W / m • K of a thickness greater than 5 mm and with openings completely penetrating the perforated plate for receiving the heterogeneous particulate catalyst
  • the heat of reaction of a heterogeneously catalyzed gas phase reaction with exothermic and / or endothermic reaction steps can be taken up predominantly or completely by a heat transport mechanism which differs from the convection mechanism which has hitherto been mainly responsible for heat transport.
  • the heat is distributed evenly by heat conduction in the material of a perforated plate, which is selected such that it has a high coefficient of thermal conductivity.
  • the perforated plates according to the invention are predominantly flat components made of a material with good thermal conductivity.
  • the coefficient of thermal conductivity of the material of the perforated plate should be greater than 10 W / m • K, preferably greater than 100 W / m • K, particularly preferably greater than 140 W / m • K.
  • the material of the perforated plates must have the strength properties required for their stability and be non-corrosive.
  • Suitable materials are in particular metals, ceramics or graphite. Due to their high thermal conductivity coefficients, aluminum, copper or silver are particularly suitable as metallic materials, which should preferably be particularly pure. Alloys of the same, which consist predominantly of the metals mentioned, are also possible.
  • the perforated plate has a multiplicity of openings which completely penetrate it and which are intended for receiving the heterogeneous particulate catalyst.
  • the perforated plate is a predominantly flat component which, although it should not be less than a certain thickness of about 5 mm, is basically not restricted in its geometric dimensions.
  • the perforated plate can have a circular surface.
  • polygonal areas for example square or rectangular areas, can be equally advantageous.
  • the geometry of the shell which surrounds the perforated plate (s) on all sides, is likewise in principle not restricted, but it must be matched to the geometry of the perforated plate (s).
  • Circular perforated plate geometries are particularly advantageous for cylindrical shells, but for polygonal perforated plate geometries, prismatic shells are advantageous.
  • the perforated plates are rectangular and arranged in a cuboid shell. In this embodiment, the perforated plates are particularly easy to replace.
  • the openings that completely penetrate the perforated plate can advantageously be cylindrical in shape with a circular cross section, but other geometric shapes are also possible, for example polygonal, in particular hexagonal cross sections or rectangular slot-like openings and openings with cross sections that are variable over the length of the same ,
  • the openings should have the smallest possible equivalent diameters, preferably less than 12 mm, particularly preferably less than 6 mm, so that good gas-side heat transfer coefficients are ensured on the walls of the openings.
  • the equivalent diameter of an opening is defined in a known manner as four times the ratio of the area and the circumference of the opening.
  • the number of openings per unit area, the so-called empty portion of each perforated plate, should be as high as possible for economic reasons in order to achieve the highest possible turnover per unit area of the perforated plate. It is capped by strength requirements.
  • the proportion of empty space, and thus also the proportion of material in the perforated plate, must be matched to the heat profile of the reaction to be carried out.
  • the proportion of empty space in each perforated plate, based on the total area of the perforated plate, is preferably between 10 and 80%, particularly preferably between 20 and 60%.
  • the thickness of the perforated plate should not be less than 5 mm.
  • the pressure loss through the catalyst beds in the openings in the perforated plate should be as low as possible and that a uniform temperature profile should be ensured.
  • the size of the openings and the thickness of the perforated plate should preferably be coordinated with one another in such a way that the ratio of the equivalent diameter of the openings and the thickness of the perforated plate (s) is less than or equal to 1.
  • the geometry of the catalyst particles that can be used plays a much smaller role compared to the geometry of the shaped catalyst bodies that can be used in fluidized bed apparatuses or tube bundle apparatuses, since neither the abrasion, as in the fluidized bed, nor the relatively high pressure loss, as in large-scale tube bundle apparatuses, with a length of the contact tubes in the meter range is considered. A special shaped catalyst body development is therefore not necessary.
  • the catalyst particles can be irregularly shaped, for example in the form of powder or grit, with dimensions in the range between 0.2 and 2 mm, for example. It is only necessary that the dimensions of the catalyst particles are smaller than the equivalent diameter of the openings in the perforated plate.
  • the openings at their lower ends must have suitable retaining devices, for example gratings or sieves.
  • the number of openings in the perforated plates is fundamentally not restricted, in contrast to the number of contact tubes in tube bundle apparatuses which have to be welded into the tube sheets in a complex manner.
  • the bed height can be correspondingly low. This alleviates the problem of the pressure drop in the bed and the catalyst particles can be designed with significantly smaller dimensions in comparison to conventional shaped catalyst bodies for contact tubes in tube bundle apparatuses. However, the smaller the shaped catalyst bodies, the better the catalyst mass is used.
  • the special heat transport mechanism i.e. due to heat conduction, which leads to an even heat distribution in the entire material of the perforated plate, and thus to almost isothermal conditions in the reaction zone.
  • the hot spot problem is alleviated and the catalyst can be subjected to higher loads, i.e. the degree of utilization of the catalyst is better because no inert material is required to reduce the hot spot.
  • the reactor can be adapted to the required capacity.
  • the reactor Since in the basic form of the reactor the heat of reaction is only absorbed by the reaction gas, but is not discharged to the outside, the reactor must be operated in such a way that the sum of the inlet temperature of the gaseous reaction mixture and the adiabatic temperature increase gives the reaction temperature.
  • the perforated plate is surrounded on all sides by a sleeve, wherein it is arranged in the sleeve in such a way that the enclosed inner space is separated by the perforated plate into two areas which communicate with one another only through the openings in the perforated plate. This is necessary so that the reaction mixture can be supplied on one side of the perforated plate, through which the openings filled with the catalyst particles flow and is drawn off on the other side of the perforated plate. It can be advantageous to feed the gaseous reaction mixture to the perforated plate from below and to withdraw it from the top, but reverse flow control is equally possible.
  • the invention is not restricted with regard to the applicability to special reactions.
  • the reactor can generally be used to carry out gas-phase reactions with endothermic and or exothermic substeps, and it can be used particularly advantageously for carrying out reactions which have both endothermic and exothermic substeps, since the heat of reaction of the exothermic substeps is internal for the supply of heat to the endothermic substeps can be used.
  • the reactor can be used, for example, to carry out partial oxidations, in particular for the production of (meth) acrylic acid, maleic anhydride or phthalic anhydride.
  • Figure 1 is a schematic representation of a section of a preferred embodiment of a perforated plate
  • the perforated plate 1 shown in FIG. 1 has openings 2 which are cylindrical, for example.
  • the perforated plate 1 is intended for installation in an envelope (not shown) in such a way that the enveloped space is separated by the perforated plate into a gas inlet area 4 and a gas outlet area 5.
  • the gaseous reaction mixture is fed in via the gas inlet area 4, passed into the openings 2 via the catalyst particles and drawn off via the gas outlet area 5.
  • the plate material absorbs the heat of reaction, distributes it evenly through heat conduction, and releases the heat of reaction to the gas.
  • Figure 2 shows the temperature profile in a perforated plate.
  • the temperature profile was simulated in a perforated plate made of aluminum, with a thermal conductivity coefficient of 200 W / m • K, a plate thickness of 50 mm, a hole diameter of 4 mm and a hole percentage of 38%, based on the total area of the perforated plate.
  • the catalyst was passed through the openings at a flow rate of 8.5 Nl / h per opening, over a spherical catalyst composed of particles with a diameter of 0.4 mm.
  • the catalyst was manufactured according to EP-A 0 017 000.
  • the pressure loss in the catalyst bed was 70 mbar.
  • the gas inlet temperature was 30 ° C and the adiabatic Temperature increase in the perforated plate 250 ° C.
  • the composition of the gas when it emerged from the openings in the perforated plate was, in% by volume:
  • the figure shows the dependence of the temperature, t, in ° C. over the length of the openings, 1, in cm, from the gas inlet at the lower end of the openings to the gas outlet at the upper end of the openings.

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Abstract

ZusammenfassungEs wird ein Reaktor für Gasphasenoxidationen mit einem oder mehreren exothermen und/oder endothermen Reaktionsschritten, in Gegenwart eines heterogenen partikelförmigen Katalysators vorgeschlagen, der aus - einer oder mehreren Lochplatten (1) aus einem Werkstoff mit einem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten grösser als 30 W/m " K, mit einer Stärke grösser als 5 mm und mit die Lochplatte (1) vollständig durchdringenden Öffnungen (2) zur Aufnahme des heterogenen partikelförmigen Katalysators, sowie- einer Hülle (3), die die Lochplatte(n) (1) allseitig umgibt gebildet ist, dergestalt, dass jede Lochplatte (1) den umhüllten Raum in einen Gaseintrittsbereich (4) und einem Gasaustrittsbereich (5) trennt, die miteinander nur über die Öffnungen (2) der Lochplatte (1) verbunden sind.(Figur 1)

Description

Reaktor für Gasphasenreaktionen
Die Erfindung betrifft einen Reaktor für Gasphasenreaktionen mit einem oder mehreren exothermen und/oder endothermen Reaktionsschritten, in Gegenwart eines heterogenen partikelformigen Katalysators.
Durch heterogen katalysierte Gasphasenreaktionen werden zahlreiche Grund- und Zwi- schenprodukte im großtechnischen Maßstab hergestellt. Dabei muss häufig Wärme zu- oder abgeführt werden, oft durch indirekte Wärmeübertragung mit einem vom Reaktionsgemisch getrennten Wärmeträger. So werden insbesondere für heterogene Gasphasenoxidationen im Temperaturbereich oberhalb von 250°C Rohrbündelreaktoren mit Salzbadkühlung eingesetzt. Nachteilig an dieser Technologie sind die hohen Investitionskosten und die Bildung von selektivitätsmindernden Hot- Spots in den einzelnen, mit Katalysatorformkörpern gefüllten Kontaktrohren.
Bekannt sind auch Wirbelschicht-Reaktoren, bei denen kleine Katalysatorpartikel eingesetzt werden. Sie weisen zwar keine Hot-Spots und verminderte Konzentrationsgradienten im Katalysatorpartikel auf, benötigen aber meist ebenso aufwändige Einbauten zur Wärmeabführung. Außerdem müssen hierfür abriebfeste Katalysatoren entwickelt werden, es fällt Katalysatorstaub an und Fouling an nachgeschalteten Heizflächen und Apparaten ist problematisch. Da der Wirbelschicht-Reaktor nicht rückvermischungsfrei ist, dürfen Folgereaktionen keine nennenswerte Rolle spielen.
Es war demgegenüber Aufgabe der Erfindung, einen Reaktor zur Durchführung von Gasphasenreaktionen mit endothermen und/oder exothermen Reaktionsschritten zur Verfügung zu stellen, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist und der insbesondere die Zu- oder Abführung von Reaktionswärme ohne den Einsatz von Wärmeträgern, weder primären noch sekundären, gewährleistet.
Die Lösung besteht in einem Reaktor für Gasphasenreaktionen mit einem oder mehreren exothermen und/oder endothermen Reaktionsschritten, in Gegenwart eines heterogenen partikelformigen Katalysators, gebildet aus einer oder mehreren Lochplatten aus einem Werk- stoff mit einem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten größer als 30 W/m • K, mit einer Stärke größer als 5 mm und mit die Lochplatte vollständig durchdringenden Öffnungen zur Aufnahme des heterogenen partikelformigen Katalysators sowie einer Hülle, die die Lochplat- te(n) allseitig umgibt, dergestalt, dass jede Lochplatte den umhüllten Raum in einen Gaseintrittsbereich und einem Gasaustrittsbereich trennt, die miteinander nur über die Öffnungen der Lochplatte verbunden sind.
Es wurde überraschend gefunden, dass die Reaktionswärme einer heterogen katalysierten Gasphasenreaktion mit exothermen und/oder endothermen Reaktionsschritten überwiegend oder vollständig durch einen Wärmetransportmechanismus aufgenommen werden kann, der sich vom bislang überwiegend für den Wärmetransport verantwortlichen Mechanismus der Konvektion unterscheidet. Erfindungsgemäß verteilt sich die Wärme durch Wärmeleitung gleichmäßig im Material einer Lochplatte, das so ausgewählt ist, dass es einen hohen Wär- meleitfähigkeitskoeffϊzienten aufweist.
Die erfindungsgemäßen Lochplatten sind überwiegend ebene Bauteile aus einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit. Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Werkstoffes der Lochplatte soll größer als 10 W/m • K, bevorzugt größer als 100 W/m • K, besonders be- vorzugt größer als 140 W/m • K, sein. Darüber hinaus muss der Werkstoff der Lochplatten die für die Stabilität derselben erforderlichen Festigkeitseigenschaften aufweisen und nicht korrosiv sein.
Geeignete Werkstoffe sind insbesondere Metalle, Keramiken oder Graphit. Als metallische Werkstoffe eignen sich aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten insbesondere Aluminium, Kupfer oder Silber, die bevorzugt besonders rein sein sollen. Möglich sind auch Legierungen derselben, die überwiegend aus den genannten Metallen bestehen.
Die Lochplatte weist erfindungsgemäß eine Vielzahl von Öffnungen auf, die sie vollständig durchdringen und die zur Aufnahme des heterogenen partikelformigen Katalysators bestimmt sind.
Die Lochplatte ist ein überwiegend ebenes Bauteil, das zwar eine gewisse Stärke, von etwa 5 mm, nicht unterschreiten soll, jedoch im Übrigen in den geometrischen Abmessungen grundsätzlich nicht eingeschränkt ist. Die Lochplatte kann eine kreisförmige Fläche aufweisen. Polygonale Flächen, beispielsweise quadratische oder rechteckige Flächen, können jedoch gleichermaßen vorteilhaft sein.
Die Geometrie der Hülle, die die Lochplatte(n) allseitig umgibt, ist ebenfalls grundsätzlich nicht eingeschränkt, sie ist jedoch auf die Geometrie der Lochplatte(n) abzustimmen. Für kreisförmige Lochplattengeometrien sind insbesondere zylinderförmige Hüllen vorteilhaft, für polygonale Lochplattengeometrien dagegen prismenförmige Hüllen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Lochplatten rechteckig und in einer quader- förmigen Hülle angeordnet. In dieser Ausführungsform sind die Lochplatten besonders einfach austauschbar.
Die Öffnungen, die die Lochplatte vollständig durchdringen, können in ihrer Geometrie vorteilhaft zylindrisch, mit kreisförmigem Querschnitt ausgestaltet sein, es sind jedoch auch andere geometrische Formen, beispielsweise polygonale, insbesondere hexagonale Querschnitte oder rechteckige schlitzartige Öffnungen und Öffnungen mit über die Länge derselben variablen Querschnitten möglich.
Die Öffnungen sollten jedoch möglichst kleine äquivalente Durchmesser, bevorzugt kleiner als 12 mm, besonders bevorzugt kleiner als 6 mm, aufweisen, damit gute gasseitige Wärme- durchgangskoeffizienten an die Wände der Öffnungen gewährleistet sind. Der äquivalente Durchmesser einer Öffnung wird in bekannter Weise als das Vierfache des Verhältnisses aus der Fläche und dem Umfang der Öffnung definiert.
Die Anzahl der Öffnungen pro Flächeneinheit, der sogenannte Leerflächenanteil jeder Lochplatte, sollte aus wirtschaftlichen Gründen, um einem möglichst hohen Umsatz pro Flächeneinheit der Lochplatte zu erzielen, möglichst hoch sein. Er ist nach oben durch Festigkeitsanforderungen begrenzt. Darüber hinaus ist der Leerflächenanteil, und somit entsprechend auch der Materialanteil der Lochplatte auf das Wärmeprofil der konkret durchzu- führenden Reaktion abzustimmen.
Der Leerflächenanteil jeder Lochplatte, bezogen auf die Gesamtfläche der Lochplatte, beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 80%, besonders bevorzugt zwischen 20 und 60%.
Die Stärke der Lochplatte soll, wie eingangs ausgeführt, 5 mm nicht unterschreiten. Für die obere Begrenzung ist insbesondere maßgeblich, dass der Druckverlust durch die Katalysa- torschüttungen in den Öffnungen der Lochplatte möglichst gering sein soll, sowie dass ein gleichmäßiges Temperaturprofil gewährleistet werden soll. Häufig wird eine Plattenstärke im Bereich von 20 bis 150 mm, besonders bevorzugt von etwa 30 bis 60 mm, vorteilhaft sein. Bevorzugt sollen die Größe der Öffnungen und die Stärke der Lochplatte in der Weise aufeinander abgestimmt sein, dass das Verhältnis aus dem äquivalenten Durchmesser der Öffnungen und der Stärke der Lochplatte(n) kleiner oder gleich 1 ist.
Die Geometrie der einsetzbaren Katalysatorpartikel spielt eine wesentlich geringere Rolle im Vergleich zur Geometrie der in Wirbelschichtapparaten oder Rohrbündelapparaten einsetzbaren Katalysatorformkörpern, da weder der Abrieb, wie in der Wirbelschicht, noch der relativ hohe Druckverlust wie bei großtechnischen Rohrbündelapparaten mit einer Länge der Kontaktrohre im Meterbereich, zu berücksichtigen ist. Eine spezielle Katalysatorform- körperentwicklung ist somit nicht erforderlich. Die Katalysatorpartikel können unregelmäßig geformt sein, beispielsweise als Pulver oder Splitt vorliegen, mit Abmessungen beispielsweise im Bereich zwischen 0,2 und 2 mm. Erforderlich ist lediglich, dass die Abmessungen der Katalysatorpartikel kleiner sind als die äquivalenten Durchmesser der Öffnungen in der Lochplatte.
Um ein Abfließen der Katalysatorschüttungen aus den Öffnungen unter Einwirkung der Schwerkraft zu verhindern, müssen die Öffnungen an ihren unteren Enden geeignete Rückhalteeinrichtungen, beispielsweise Gitterroste oder Siebe, aufweisen.
Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor ist die Zahl der Öffnungen in den Lochplatten grundsätzlich nicht eingeschränkt, im Gegensatz zur Anzahl der Kontaktrohre in Rohrbündelapparaten, die aufwändig in die Rohrböden eingeschweißt werden müssen.
Da die Anzahl der zur Aufnahme der Katalysatorpartikel bestimmten Öffnungen grundsätz- lieh beliebig groß sein kann, kann die Schüttungshöhe, bei gleicher Kapazität, entsprechend niedrig sein. Dadurch wird die Problematik des Druckabfalls in der Schüttung entschärft und die Katalysatorpartikel können mit wesentlich geringeren Abmessungen im Vergleich zu herkömmlichen Katalysatorformkörpern für Kontaktrohre in Rohrbündelapparaten ausgebildet sein. Je kleiner die Katalysatorformkörper jedoch sind, um so besser wird die Kata- lysatormasse ausgenutzt.
Wesentliche Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktors sind somit, dass feine Katalysatorpartikel eingesetzt werden können, für die keine spezielle Entwicklung von Formkörpern notwendig ist und dass, aufgrund der geringen Abmessungen der Katalysatorpartikel, die Katalysatormasse vollständig oder nahezu vollständig ausgenutzt wird und somit die Raum- Zeit- Ausbeute des Katalysators deutlich verbessert ist. Entsprechend kann der Katalysator bedeutend höher mit Einsatzstoff belastet werden. Für das Beispiel der Partialoxidation von Propen zu Acrolein beziehungsweise von Acrolein zu Acrylsäure sind dies etwa 130 bis 600 Nl Propen/1 Katalysator.h.
Vorteilhaft ist insbesondere auch der spezielle Wärmetransportmechanismus, d.h. durch Wärmeleitung, die zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung im gesamten Material der Lochplatte, und damit zu nahezu isothermen Bedingungen in der Reaktionszone führt.
Aufgrund der internen Wärmeleitung über die Lochplatte sowie durch den sehr guten gas- seitigen Wärmetransport infolge der geringen Öffnungsdurchmesser findet eine schnelle direkte Wärmeein- und auskopplung aus dem Katalysatorbett und somit eine wärmetechnische Überlagerung von endothermen und exothermen Reaktionsteilschritten statt, ohne kon- vektive Wärmetransportanteile.
Es ist daher auch möglich, Reaktionen, für die in herkömmlichen Apparaten eine Gasvorheizung erforderlich ist, ohne dieselbe durchzuführen.
Aufgrund der verbesserten Wärmeabführung ist die Hot-Spot-Problematik entschärft und der Katalysator kann höher belastet werden, d.h. der Nutzungsgrad des Katalysators ist bes- ser, weil kein Inertmaterial zur Minderung des Hot-Spots notwendig ist.
Durch die Anordnung einer geeigneten Anzahl von Lochplatten, d.h. einen modularen Aufbau, kann der Reaktor an die erförderliche Kapazität angepasst werden.
Zur Wärmeabführung ist kein Wärmeträger erforderlich, insbesondere entfällt das aufwendige Handling von Salzschmelzen. Entsprechend sind die Investitions- und Betriebskosten niedriger.
Da in der Grundform des Reaktors die Reaktionswärme lediglich durch das Reaktionsgas aufgenommen wird, nicht jedoch nach außen abgeführt wird, muss der Reaktor so betrieben werden, dass die Summe aus der Eintrittstemperatur des gasförmigen Reaktionsgemisches und der adiabaten Temperaturerhöhung die Reaktionstemperatur ergibt.
Kann die obige Bedingung allein durch die Wärmeaufnahme des Reaktionsgases nicht er- füllt werden, ist es zusätzlich möglich, an der oder den Lochplatten und/oder in der Hülle, die die Lochplatte(n) allseitig umgibt, geeignete Einrichtungen zur indirekten Kühlung derselben mit Hilfe eines Wärmeträgers vorzusehen.
Die Lochplatte ist von einer Hülle allseitig umgeben, wobei sie in der Hülle so angeordnet ist, dass der umhüllte Innenraum durch die Lochplatte in zwei Bereiche aufgetrennt wird, die miteinander nur durch die Öffnungen der Lochplatte kommunizieren. Dies ist erforderlich, damit das Reaktionsgemisch auf einer Seite der Lochplatte zugeführt werden kann, die mit den Katalysatorpartikeln gefüllten Öffnungen durchströmt und auf der anderen Seite der Lochplatte abgezogen wird. Es kann vorteilhaft sein, das gasförmige Reaktionsgemisch der Lochplatte von unten zuzuführen und oben abzuziehen, eine umgekehrte Strömungsführung ist jedoch gleichermaßen möglich.
Es ist auch möglich, zwei oder mehrere Lochplatten mit einer Hülle zu umgeben, wobei jedoch stets darauf geachtet werden muss, dass die Lochplatte auf der einen Seite derselben mit nicht umgesetztem Reaktionsgemisch und auf der anderen Seite derselben mit umgesetztem Reaktionsgemisch in Kontakt ist, wobei die beiden Seiten der Lochplatte miteinander nur über die Öffnungen in der Lochplatte in Verbindung sind.
Es ist beispielsweise möglich, mehrere Lochplatte übereinander, parallel zueinander, anzu- ordnen, unter Freilassung von Zwischenräumen, die miteinander nur über die Öffnungen in den Lochplatten kommunizieren und die alternierend die Funktion von Gaseintrittsbereichen beziehungsweise von Gasaustrittsbereichen haben.
Die Erfindung ist nicht eingeschränkt bezüglich der Anwendbarkeit auf spezielle Reaktio- nen. Der Reaktor ist allgemein zur Durchführung von Gasphasenreaktionen mit endothermen und oder exothermen Teilschritten einsetzbar, wobei er besonders vorteilhaft für die Durchführung von Reaktionen eingesetzt werden kann, die sowohl endotherme als auch exotherme Teilschritte aufweisen, da die Reaktionswärme der exothermen Teilschritte intern für die Wärmezuführung zu den endothermen Teilschritten genutzt werden kann.
Der Reaktor kann beispielsweise zur Durchführung von Partialoxidationen, insbesondere zur Herstellung von (Meth)acrylsäure, Maleinsäureanhydrid oder Phthalsäureanhydrid, eingesetzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert: Es zeigen im Einzelnen:
Figur 1 die schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einer bevorzugten Ausführungsform einer Lochplatte und
Figur 2 den in einer Lochplatte über die Öffnungslänge simulierten Temperaturverlauf am Beispiel der Acroleinoxidation in Gegenwart von Propan.
Die in Figur 1 dargestellte Lochplatte 1 weist Öffnungen 2 auf, die beispielhaft zylindrisch ausgebildet sind. Die Lochplatte 1 ist zum Einbau in eine nicht dargestellte Hülle bestimmt, in der Weise, dass der umhüllte Raum durch die Lochplatte in einen Gaseintrittsbereich 4 und einen Gasaustrittsbereich 5 getrennt wird. Das gasförmige Reaktionsgemisch wird über den Gaseintrittsbereich 4 zugeführt, über die Katalysatorpartikel in die Öffnungen 2 geleitet und über den Gasaustrittsbereich 5 abgezogen. Das Plattenmaterial nimmt die Reaktions- wärme auf, verteilt diese gleichmäßig durch Wärmeleitung, und gibt die Reaktionswärme an das Gas ab.
Figur 2 zeigt den Temperaturverlauf in einer Lochplatte.
Simuliert wurde der Temperaturverlauf in einer Lochplatte aus Aluminium, mit einem Wär- meleitfähigkeitskoeffizienten von 200 W/m • K, einer Plattenstärke von 50 mm, einem Lochdurchmesser von 4 mm und einem Lochanteil von 38%, bezogen auf die Gesamtfläche der Lochplatte.
Ein Gasgemisch mit der nachfolgenden Zusammensetzung in Vol-%
Acrolein 5,6 Sauerstoff 8,4 Stickstoff 51,0 Propan 27,0 und Wasser 8,0
wurde mit einem Volumenstrom von 8,5 Nl/h pro Öffnung durch die Öffnungen geleitet, über einen kugelförmigen Katalysator aus Partikeln mit einem Durchmesser von 0,4 mm. Der Katalysator wurde nach EP-A 0 017 000 gefertigt. Der Druckverlust in der Kataly- satorschüttung betrug 70 mbar. Die Gaseintrittstemperatur betrug 30°C und die adiabate Temperaturerhöhung in der Lochplatte 250°C. Die Zusammensetzung des Gases beim Austritt aus den Öffnungen der Lochplatte betrug, in Vol.-%:
Acrolein 0,05 Acrylsäure 5,8 Sauerstoff 3,5 Wasser 8,8 Propan 28,6 und Stickstoff 53,25.
In der Figur ist die Abhängigkeit der Temperatur, t, in °C über die Länge der Öffnungen, 1, in cm, vom Gaseintritt am unteren Ende der Öffnungen bis zum Gasaustritt am oberen Ende der Öffnungen dargestellt.
Während die Temperatur des gasförmigen Gemisches, in der oberen Kurve II dargestellt, steil ansteigt und ein Maximum durchläuft, ist die Temperatur der Lochplatte, untere Kurve I, über die gesamte Länge der Öffnungen 1 nahezu konstant. Die Simulation zeigt, dass in der Lochplatte nahezu isotherme Bedingungen gewährleistet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Reaktor für Gasphasenreaktionen mit einem oder mehreren exothermen und/oder endothermen Reaktionsschritten, in Gegenwart eines heterogenen partikelformigen Katalysators, gebildet aus - einer oder mehreren Lochplatten (1) aus einem Werkstoff mit einem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten größer als 10 W/m • K, mit einer Stärke größer als 5 mm und mit die Lochplatte (1) vollständig durchdringenden Öffnungen (2) zur Aufnahme des heterogenen partikelformigen Katalysators, sowie
- einer Hülle (3), die die Lochplatte(n) (1) allseitig umgibt, dergestalt, dass jede Lochplatte (1) den umhüllten Raum in einen Gaseintrittsbereich (4) und einen Gasaustrittsbereich (5) trennt, die miteinander nur über die Öffnungen (2) der Lochplatte (1) verbunden sind.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man für die Lochplatte(n) (1) einen Werkstoff mit einem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten größer als 100 W/m • K einsetzt.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man als Werkstoff für die Lochplatte(n) (1) ein Metall, eine Keramik oder Graphit verwendet.
4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man als metallischen Werkstoff für die Lochplatte(n) (1) Aluminium, Kupfer, Silber oder Legierungen hiervon verwendet.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lochplatte (1) einen Leerflächenanteil, bezogen auf die Gesamtfläche der Lochplatte (1), zwischen 10 und 80 % aufweist.
Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leerflächenanteil jeder Lochplatte (1), bezogen auf die Gesamtfläche der Lochplatte (1) zwischen 20 und 60 % beträgt.
7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der äquivalente Durchmesser der Öffnungen (2) der Lochplatte(n) (1) kleiner als 12 mm, bevorzugt kleiner als 6 mm, ist.
8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus dem äquivalenten Durchmesser der Öffnungen (2) und der Stärke der Lochplatte(n) (1) kleiner oder gleich 1 ist.
9. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (2) in der Lochplatte (1) polygonal, insbesondere rechteckig, oder kreisförmig sind.
10. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Loch- platte(n) (1) und/oder die Hülle (3), die die Lochplatte(n) (1) allseitig umgibt, Einrichtungen zur indirekten Kühlung derselben mit Hilfe eines Wärmeträgers aufweist (auf- weisen).
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