WO2005077520A1 - Reaktor und verfahren zur herstellung von chlor aus hcl - Google Patents

Reaktor und verfahren zur herstellung von chlor aus hcl Download PDF

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fluidized bed
reactor according
heat exchanger
permeable plates
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Lothar Seidemann
Olga Schubert
Martin Sesing
Eckhard Stroefer
Martin Fiene
Christian Walsdorff
Klaus Harth
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Basf Aktiengesellschaft
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    • B01J2219/0277—Metal based
    • B01J2219/0286—Steel

Definitions

  • the invention relates to a reactor for producing chlorine from hydrogen chloride by gas phase oxidation with oxygen in the presence of a heterogeneous catalyst in a fluidized bed.
  • the invention further relates to a process for the production of chlorine using the reactor.
  • the oxidation of hydrogen chloride to chlorine is an equilibrium reaction.
  • the position of the equilibrium shifts with increasing temperature to the disadvantage of the desired end product.
  • Such catalysts are in particular catalysts based on copper or on the basis of ruthenium, for example the supported catalysts described in DE-A 197 48 299 with the active composition ruthenium oxide or ruthenium mixed oxide, the content of ruthenium oxide being 0.1 to 20% by weight. % and the average particle diameter of ruthenium oxide is 1.0 to 10.0 nm.
  • ruthenium chloride catalysts which contain at least one of the compounds titanium oxide and zirconium oxide, ruthenium nium carbonyl complexes, ruthenium salts of inorganic acids, ruthenium nitrosyl complexes, ruthenium amine complexes, ruthenium complexes of organic amines or ruthenium acetylacetonate complexes.
  • gold can also be present in the active catalyst composition.
  • EP-A 0 331 465 discloses a fluidized bed reactor in which perforated plates are accommodated in the fluidized bed at a uniform distance. The agglomerated gas bubbles disintegrate as they flow through the perforated plates. This leads to an improved mixing of the gas with the solid.
  • a chromium oxide is used as a catalyst in EP-A 0 331 465.
  • ruthenium-based catalysts are temperature sensitive. Volatile ruthenium compounds are formed even at temperatures above 400 ° C. To avoid loss of active mass, it is therefore necessary to run the process for producing chlorine from hydrogen chloride in the presence of ruthenium-based catalysts as isothermally as possible at temperatures below 400 ° C.
  • the object of the invention is therefore to provide a reactor for the production of chlorine from hydrogen chloride by gas phase oxidation with oxygen, which allows good mixing of the gas and solid phases and operates largely isothermally.
  • the object is achieved by a reactor for the production of chlorine from hydrogen chloride by gas phase oxidation with oxygen in the presence of a heterogeneous catalyst in a fluidized bed, a heat exchanger and gas-permeable plates being accommodated in the fluidized bed.
  • the gas-permeable plates are thermally connected to the heat exchanger.
  • the heat transfer area in the fluidized bed is increased, since the gas-permeable plates act as ribs, which absorb the heat and conduct it to the heat exchanger. For this it is necessary that the thermal conductivity of the gas-permeable plates is greater than the thermal conductivity in the fluidized bed.
  • the heat-conducting connection of the gas-permeable plates to the heat exchanger can be positive, frictional or materially. Positive connections are to
  • Frictional connections are, for example, screw connections, clamp seats, press fits or connections with resilient intermediate links.
  • the integral connections include
  • Material connections are preferred because they ensure the best heat transfer from the gas-permeable plates to the heat exchanger.
  • An isothermal fluidized bed is preferably obtained by providing the largest possible heat transfer area.
  • Suitable heat exchangers are, for example, tube bundle heat exchangers with tubes arranged horizontally or vertically in the fluidized bed or plates arranged vertically in the fluidized bed in which a heat transfer medium flows.
  • the heat exchanger tubes or heat exchanger plates are preferably arranged within the fluidized bed in such a way that the fluidization of the fluidized bed is not disturbed by the installation of the heat exchanger.
  • these are preferably connected to one another by the gas-permeable plates, the gas-permeable plates preferably being arranged perpendicular to the heat exchanger plates.
  • the individual heat exchanger tubes arranged vertically in the fluidized bed are connected to one another by horizontally extending tubes.
  • the gas-permeable plates are then preferably on the horizontal tubes.
  • the horizontally running tubes can also be integrated in the gas-permeable plates.
  • the horizontal pipes enclose the surfaces that are sealed with the gas-permeable plates.
  • the heat transfer medium must be selected so that it is chemically and thermally stable at the temperatures occurring in the heat exchanger. Suitable heat transfer media are, for example, salt melts or, preferably, liquids that evaporate at the reaction temperature in the range of up to 400 ° C. Water at a pressure of 10 to 60 bar is particularly preferred as the heat transfer medium.
  • the advantage of evaporating liquids as a heat transfer medium is that during the evaporation of the heat transfer medium gers whose temperature does not change. In this way, isothermal conditions can be created in the heat exchanger.
  • Nickel alloys are preferably used when condensation of hydrochloric acid cannot be excluded. For example, water condenses at a pressure of 25 bar at a temperature of around 224 ° C. With the appearance of liquid water, hydrogen chloride dissolves in it to form hydrochloric acid.
  • the gas residence time in the reactor is optimized by specifically influencing the movement of bubbles and solids.
  • the gas-permeable plates are used in particular to tear agglomerated gas bubbles apart and thus to ensure that smaller gas bubbles are evenly distributed in the fluidized bed granulate.
  • Perforated sheets or lattice-shaped structures are preferably used as gas-permeable plates.
  • the size of the individual openings in the gas-permeable plates is preferably in the range from 1 to 100,000 mm 2 , more preferably in the range from 5 to 10,000 mm 2 , in particular in the
  • the gas-permeable plates are designed as ordered or disordered fabric structures.
  • Ordered fabric structures are, for example, lattice or net-shaped structures, disordered fabric structures are, for example, knitted fabrics or braids.
  • the size of the openings or the structure of the gas-permeable plates is designed so that bubble coalescence is avoided. Contrary to the general knowledge known to the person skilled in the art that disturbances in the movement of solids caused by built-in components lead to losses in the heat transfer performance in the fluidized bed, it is found that avoiding bubble coalescence, which leads to smaller gas bubbles in the fluidized bed, improves the heat transport within the fluidized bed that this outweighs the losses caused by the internals and so the heat transport in the fluidized bed is better overall. Due to the smaller gas bubbles, the fluidized bed is mixed better, which leads to an even temperature distribution. The heat transfer within the fluidized bed is not hindered by large gas bubbles that have an insulating effect. This also leads to an improved heat transport to the heat exchanger and thus to an improved ren heat dissipation from the fluidized bed. For this reason, the heat exchanger can be made smaller, which leads to material and thus cost savings.
  • the gas-permeable plates are preferably at a distance of 5 to 200 cm, more preferably from 10 cm to 100 cm and particularly preferably from 20 to 50 cm.
  • the gas-permeable plates are preferably made of steel or nickel alloys.
  • nickel alloys are used when condensation of hydrochloric acid cannot be ruled out.
  • the fluidized bed is preferably delimited from the environment by a reactor wall.
  • the reactor wall is preferably gas-tight and thermally insulated from the environment. In this way, for example, it is avoided that gases involved in the reaction can escape to the environment via the reactor wall.
  • the thermal insulation of the reactor wall prevents the reaction temperature from falling in the edge region of the fluidized bed. This ensures that the reaction takes place evenly over the entire area of the fluidized bed.
  • the insulation of the reactor wall also reduces the safety effort, since there are no hot surfaces outside the reactor which can cause burns when touched.
  • the reactor wall is preferably cylindrical, but can also have any other cross section.
  • the wall thickness of the reactor wall is preferably dimensioned such that thermal stresses over the circumference and the height of the reactor wall are avoided. At the same time, the mechanical stability of the reactor wall must be guaranteed.
  • the reactor wall is preferably made of steel or nickel energies. Furthermore, the reactor wall can be lined with nickel or nickel alloys. Nickel alloys are used in particular when condensation of hydrochloric acid in the reactor cannot be ruled out.
  • the feed gases hydrogen chloride and oxygen are preferably supplied via a wind box arranged below the fluidized bed.
  • a gas stream containing hydrogen chloride and a gas stream containing oxygen can be fed separately to the wind box and mixed in the wind box. This is preferably done However, the mixture is already in front of the wind box, so that a gas stream containing hydrogen chloride and oxygen is supplied.
  • the gas supply to the wind box can take place on the underside of the wind box, laterally or tangentially. If the gas supply is tangential, a vortex forms inside the windbox. When the gas is supplied from below, the supply is preferably centric.
  • the wind box can take any form known to those skilled in the art. When using a fluidized bed reactor with a circular cross section, the wind box is preferably round-arched, conical or cylindrical.
  • wind box All metal connections are suitable as material for the windbox, in which a by-product formation can be excluded and the mechanical stability is guaranteed.
  • the wind box can also be made from ceramic materials.
  • the educt gas stream is fed centrally into the wind box from below.
  • the windbox is round-arched and designed so that sudden cross-sectional enlargements are avoided. Avoiding edges inside the windbox prevents turbulence, which can lead to erosion on the inside of the windbox.
  • a baffle device is arranged in the wind box against which the inflowing gas flows.
  • the deflection of the gas flow forced by the impact device leads to a dissipation of the momentum of the inflowing feed gas.
  • the impact device is preferably designed as a simple plate, in the form of a funnel or with a round arch.
  • the baffle plate is preferably made of steel or nickel alloys. Nickel alloys are used when condensation of hydrochloric acid cannot be ruled out.
  • a gas distributor is connected to the windbox, via which the gas flow is conducted into the fluidized bed.
  • the gas distributor is preferably designed so that a uniform gas distribution over the cross section is ensured.
  • Suitable gas distributors are, for example, perforated bases or gas distribution nozzles distributed in a base.
  • the gas distributor is preferably the boundary between the wind box and the fluidized bed.
  • the gas can also be fed directly to the fluidized bed without using a wind box.
  • the gas distributor is preferably designed as a pipeline system, via which the gas flows into the fluidized bed.
  • the catalytic hydrogen chloride oxidation is preferably isothermal or approximately isothermal in the fluidized bed at reactor temperatures of 180 to 500 ° C., preferably 200 to 450 ° C., particularly preferably 300 to 400 ° C. and a pressure of 1 to 25 bar, preferably 1.2 up to 20 bar, particularly preferably 1.5 to 17 bar and in particular 2.0 to 15 bar.
  • all known catalysts for the oxidation of hydrogen chloride to chlorine can be used for the process according to the invention, for example the catalysts based on ruthenium described at the outset and known from DE-A 197 48 299 or DE-A 197 34 412. Also suitable are the catalysts based on gold described in DE-A 102 44 996, containing 0.001 to 30% by weight of gold, 0 to 3% by weight of one or more alkaline earth metals, 0 to 3% by weight on a support.
  • one or more alkali metals 0 to 10% by weight of one or more rare earth metals and 0 to 10% by weight of one or more further metals, selected from the group consisting of ruthenium, palladium, osmium, iridium, silver, Copper and rhenium, each based on the total weight of the catalyst.
  • the granulate used to form the fluidized bed contains the heterogeneous catalyst.
  • the individual grains of the fluidized bed granules preferably form the catalyst supports which are impregnated with active composition.
  • Suitable carrier materials are, for example, silicon dioxide, graphite, titanium dioxide with a rutile or anatase structure, zirconium dioxide, aluminum oxide or mixtures thereof, preferably titanium dioxide, zirconium dioxide, aluminum oxide or mixtures thereof, particularly preferably ⁇ - or ⁇ -aluminum oxide or mixtures thereof.
  • the supported copper or ruthenium catalysts can be obtained, for example, by impregnating the support material with aqueous solutions of CuCl 2 or RuCl 3 and optionally a promoter for doping, preferably in the form of their chlorides.
  • the catalyst can be shaped after or preferably before the support material is impregnated.
  • Suitable promoters for the doping are alkali metals such as lithium, sodium, potassium, rubidium and cesium, preferably lithium, sodium and potassium, particularly preferably potassium, alkaline earth metals such as magnesium, calcium, strontium and barium, preferably magnesium and calcium, particularly preferably magnesium, rare earth metals such as Scandium, yttrium, lanthanum, cerium, brasiodymium and neodymium, preferably scanium, yttrium, lanthanum and cerium, particularly preferably lanthanum and cerium, or mixtures thereof.
  • the granules can then be dried at temperatures of 100 to 400 ° C., preferably 100 to 300 ° C., for example under a nitrogen, argon or air atmosphere and optionally calcined.
  • the granules are preferably first dried at 100 to 150 ° C. and then calcined at 200 to 400 ° C.
  • granules of inert material may also be present in the fluidized bed.
  • titanium dioxide, zirconium dioxide or mixtures thereof, aluminum oxide, steatite, ceramic, glass, graphite or stainless steel can be used as the inert material.
  • the granules of inert material preferably have similar external dimensions to the granules impregnated with active material.
  • the solids separators are preferably arranged at a height which is above the discharge height of the granules which are thrown upwards when the gas bubbles emerge from the fluidized bed. The required separation performance of the solid separators is thus minimized by the appropriate distance between the fluidized bed and the solid separators.
  • Cyclones or filter cartridges are suitable as solid separators.
  • This area is expanded conically to reduce the empty pipe gas velocity in the separation zone.
  • the necessary separation performance of the solid matter separator can be reduced further.
  • Metallic compounds are preferably used as the material for the separation zone and the at least one solid separator, in which a by-product formation can be excluded and which ensure the necessary mechanical stability.
  • Particularly preferred materials for solid matter separators and separation zones are steel or nickel alloys. Suitable nickel alloys are, for example, Hasteloy materials or Inconell. These are used when condensation of hydrochloric acid cannot be ruled out.
  • ceramic materials can be used in addition to the suitable metal compounds.
  • FIG. 1 shows a section through a fluidized bed reactor designed according to the invention
  • FIG. 2 shows a section along the line AA in FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a section along the line BB in FIG. 1,
  • FIG. 4 shows detail C from FIG. 1,
  • FIG. 5 shows a section along the line DD in Figure 1.
  • Figure 1 shows a section through a fluidized bed reactor designed according to the invention in a schematic representation.
  • a reactor 1 comprises a fluidized bed 2, a wind box 3, a gas distributor 4, a separation zone 5 and at least one solid separator 6.
  • the feed gases are fed to the wind box 3.
  • the gas supply is marked with arrow 7 here.
  • the gas supply to the wind box 3 can take place from below or from the side, as shown here.
  • the hydrogen chloride-containing gas stream and the oxygen-containing gas stream can be mixed upstream of the wind box 3 or can be fed separately to the wind box 3. If the feed is separated, the mixture then takes place in the wind box 3. From the wind box 3, the gas flows via the gas distributor 4 into the fluidized bed 2.
  • the task of the gas distributor 4 is that the gas flows evenly into the fluidized bed 2 flows in and so a good mixing of gas and solid in the fluidized bed 2 is achieved.
  • the gas distributor 4 can be a perforated floor or a floor with gas distribution nozzles distributed therein.
  • a heat transfer medium is fed to the heat exchanger 9 via at least one heat transfer fluid inlet 10.
  • the heat carrier flows through at least one heat carrier inlet pipe 18 into at least one heat carrier distributor 11.
  • the heat carrier inlet 10 is located in the upper region of the fluidized bed 2.
  • the heat carrier inlet 10 can also be arranged at any other height of the fluidized bed 2 ,
  • the angle at which the transverse tubes 16 are inclined with respect to the horizontal is preferably ⁇ 10 °, more preferably ⁇ 5 ° and particularly preferably ⁇ 2 °.
  • the heat exchanger tubes 15 open into at least one steam collector 13. If the heat exchanger 9 comprises a plurality of steam collectors 13, these are preferably connected to a steam exhaust 14. The vaporized heat transfer medium is withdrawn from the heat exchanger 9 via the steam outlet 14. The heat transfer medium is then preferably fed to a further heat exchanger, in which it condenses again, so that again To be able to supply heat exchanger 9 in liquid form. In this way, a closed heat transfer circuit can be implemented.
  • gas-permeable plates 17 are accommodated in the fluidized bed transversely to the direction of flow of the gas.
  • the gas-permeable plates 17 are thermally connected to the heat exchanger tubes 15.
  • the connection is preferably made cohesively by welding.
  • the gas-permeable plates 17 are integrally connected to the cross tubes 16, for example by welding.
  • the gas-permeable plates 17 are preferably designed as a perforated plate or as an ordered or disordered fabric structure.
  • the separation zone 5 adjoins the fluidized bed 2.
  • the cross section of the separation zone 5 increases in the direction of flow of the gas.
  • the separation zone 5 describes the area in which the fluidized bed granulate separates from the gas.
  • at least one solid separator 6 is preferably arranged in the upper region of the separation zone 5.
  • the at least one solid separator 6 can also be arranged outside the reactor 1.
  • the arrow 8 indicates the product removal following the at least one solid matter separator 6.
  • FIG. 2 shows a section in plan view along the line AA in FIG. 1.
  • the reactor 1 is delimited by a reactor wall 21 with a circular cross section.
  • the reactor wall 21 is preferably insulated so that only a small heat flow is dissipated via the reactor wall 21. At the same time, this serves for operational safety, since it prevents the outside of the reactor wall 21 from becoming too warm and thus can cause burns when touched.
  • the heat generated during the reaction is dissipated via the heat exchanger 9.
  • the temperature control medium is supplied in the direction of arrows 19 via the temperature control medium inlets 10.
  • the temperature control medium flows via the temperature control medium supply pipes 18 shown in FIG. 3 to the temperature control medium distributors 11.
  • the temperature control medium flows in the direction of the steam collectors 13 shown in FIG. 2
  • the vaporized temperature control medium is collected in the steam collectors 13 and the steam outlet 14 fed.
  • the vaporous temperature control medium is withdrawn from the heat exchanger 9 from the steam outlet 14. This is indicated by the arrow with the reference number 22.
  • gas-permeable plates 17 are shown in FIGS. 2 and 3.
  • FIG 4 shows the detail marked C in Figure 1.
  • the vertically extending heat exchanger tubes 15 are preferably connected to one another at regular intervals by the cross tubes 16.
  • the distances preferably correspond to the distances in which the gas-permeable plates 17 are arranged.
  • the cross tubes 16 are preferably integrally connected to the heat exchanger tubes 15. However, the connection can also be non-positively, for example by means of pipe clamps or any other pipe connections known to the person skilled in the art.
  • the gas-permeable plates 17 are preferably connected to the cross tubes 16 in a heat-conducting manner.
  • the gas-permeable plates 17 can be arranged above the cross tubes 16, as shown here, but an arrangement is also conceivable in which the gas-permeable plates 17 are arranged below the cross tubes 16 or the gas-permeable plates 17 are traversed by the cross tubes 16.
  • the heat transfer medium preferably flows from the vertically running heat exchanger tubes 15 into the cross tubes 16.
  • the cross tubes 16 are preferably arranged at a slight inclination.
  • FIG. 5 shows a section along the line DD in FIG. 1.
  • FIG. 5 shows that the heat carrier inlet pipes 18 are not connected to the heat exchanger pipes 15 via cross pipes 16. This ensures that no evaporated heat transfer medium can flow into the heat transfer supply pipes 18. This also ensures that the entire heat transfer medium reaches the heat exchanger tubes 15 via the heat transfer distributor 11. In this way, a uniform temperature distribution and heat carrier distribution in the heat exchanger 9 is achieved.
  • all heat exchanger tubes 15 are connected to one another by the cross tubes 16.
  • a gas-permeable plate 17 of grid-shaped design can also be seen in the embodiment shown here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktor und ein Verfahren zur Herstellung von Chlor aus Chlorwasserstoff durch Gasphasenoxidation mit Sauerstoff in Gegenwart eines heterogenen Katalysators in einer Wirbelschicht, wobei in der Wirbelschicht gasdurchlässige Platten angeordnet sind. Die gasdurchlässigen Platten sind mit einem in der Wirbelschicht angeordneten Wärmeübertrager wärmeleitend verbunden.

Description

Reaktor und Verfahren zur Herstellung von Chlor aus HC1
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Herstellung von Chlor aus Chlorwasserstoff durch Gasphasenoxidation mit Sauerstoff in Gegenwart eines heterogenen Katalysators in einer Wirbelschicht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Chlor unter Verwendung des Reaktors.
Das von Deacon 1868 entwickelte Verfahren der katalytischen Chlorwasserstoffoxida- tion mit Sauerstoff in einer exothermen Gleichgewichtsreaktion steht am Anfang der technischen Chlorchemie. Durch die Chloralkalielektrolyse wurde das Deacon- Verfahren stark in den Hintergrund gedrängt, die nahezu gesamte Produktion von Chlor erfolgte durch Elektrolyse wässriger Kochsalzlösungen.
Die Attraktivität des Deacon- Verfahrens nimmt jedoch in jüngerer Zeit wieder zu, da der weltweite Chlorbedarf stärker als die Nachfrage nach Natronlauge wächst. Dieser Entwicklung kommt das Verfahren zur Herstellung von Chlor durch Oxidation von Chlorwasserstoff entgegen, das von der Natronlaugeherstellung entkoppelt ist. Darüber hinaus fällt Chlorwasserstoff in großen Mengen beispielsweise bei Phosgenierungsreak- tionen, etwa bei der Isocyanat-Herstellung, als Koppelprodukt an. Der bei der Isocya- nat-Herstellung gebildete Chlorwasserstoff wird überwiegend in der Oxichlorierung von Ethylen zu 1,2-Dichlorethan eingesetzt, das zu Vinylchlorid und weiter zu PVC verarbeitet wird. Beispiele für weitere Verfahren, bei denen Chlorwasserstoff anfällt, sind die Vinylchlorid-Herstellung, die Polycarbonat-Herstellung oder das PVC-Recycling.
Die Oxidation von Chlorwasserstoff zu Chlor ist eine Gleichgewichtsreaktion. Die Lage des Gleichgewichts verschiebt sich mit zunehmender Temperatur zu Ungunsten des gewünschten Endproduktes. Es ist daher vorteilhaft, Katalysatoren mit möglichst hoher Aktivität einzusetzen, die die Reaktion bei niedrigerer Temperatur ablaufen lassen. Derartige Katalysatoren sind insbesondere Katalysatoren auf Basis von Kupfer oder auf der Basis von Ruthenium, beispielsweise die in DE-A 197 48 299 beschriebenen geträger- ten Katalysatoren mit der Aktivmasse Rutheniumoxid oder Rutheniummischoxid, wobei der Gehalt an Rutheniumoxid 0,1 bis 20 Gew.-% und der mittlere Teilchendurchmesser von Rutheniumoxid 1,0 bis 10,0 nm beträgt. Weitere geträgerte Katalysatoren auf Basis von Ruthenium sind aus DE-A 197 34 412 bekannt: Rutheniumchloridkatalysatoren, die mindestens eine der Verbindungen Titanoxid und Zirkoniumoxid enthalten, Ruthe- nium-Carbonyl-Komplexe, Rutheniumsalze anorganischer Säuren, Ruthenium-Nitrosyl- Komplexe, Ruthenium-Amin-Komplexe, Rutheniumkomplexe organischer Amine oder Ruthenium-Acetylacetonat-Komplexe. Zusätzlich zu Ruthenium kann auch Gold in der Katalysator-Aktivmasse enthalten sein.
Bei Gasphasenreaktionen, die in Gegenwart eines Feststoffkatalysators durchgeführt werden, lässt sich eine gute Durchmischung und damit eine gleichmäßige Verteilung von Gas und Feststoff durch den Einsatz von Wirbelschichtreaktoren erreichen. Um zu vermeiden, dass Gasblasen agglomerieren und sich so die Durchmischung von Gas und Feststoff verschlechtert, ist aus EP-A 0 331 465 ein Wirbelschichtreaktor bekannt, bei dem in gleichmäßigem Abstand perforierte Platten in der Wirbelschicht aufgenommen sind. Beim Durchströmen der perforierten Platten zerfallen die agglomerierten Gasblasen. Dies führt zu einer verbesserten Vermischung des Gases mit dem Feststoff.
Als Katalysator wird in EP-A 0 331 465 ein Chromoxid eingesetzt. Im Unterschied dazu sind Katalysatoren auf Rutheniumbasis temperaturempfindlich. Bereits bei Temperaturen oberhalb 400° C bilden sich flüchtige Rutheniumverbindungen. Um einen Verlust von Aktivmasse zu vermeiden, ist es deshalb notwendig, den Prozess zur Herstellung von Chlor aus Chlorwasserstoff in Gegenwart von Katalysatoren auf Rutheniumbasis möglichst isotherm bei Temperaturen unterhalb 400° C zu fahren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Reaktor zur Herstellung von Chlor aus Chlorwasserstoff durch Gasphasenoxidation mit Sauerstoff bereitzustellen, welcher eine gute Durchmischung von Gas- und Feststoffphase erlaubt und weitgehend isotherm arbeitet.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Reaktor zur Herstellung von Chlor aus Chlorwasserstoff durch Gasphasenoxidation mit Sauerstoff in Gegenwart eines heterogenen Katalysators in einer Wirbelschicht, wobei in der Wirbelschicht ein Wärmeübertrager und gasdurchlässige Platten aufgenommen sind. Dabei sind die gasdurchlässigen Platten wärmeleitend mit dem Wärmeübertrager verbunden.
Durch die wärmeleitende Verbindung der gasdurchlässigen Platten mit dem Wärmeübertrager wird die Wärmeübertragungsfläche in der Wirbelschicht vergrößert, da die gasdurchlässigen Platten als Rippen wirken, die Wärme aufnehmen und an den Wärmeübertrager leiten. Hierzu ist es erforderlich, dass die Wärmeleitfähigkeit der gasdurchlässigen Platten größer ist als die Wärmeleitfähigkeit in der Wirbelschicht. Die wärmeleitende Verbindung der gasdurchlässigen Platten mit dem Wärmeübertrager kann form-, reib- oder stoffschlüssig erfolgen. Formschlüssige Verbindungen sind zum
Beispiel Verbindungen mit Bolzen, Stiften oder Nieten. Reibschlüssige Verbindungen sind zum Beispiel Schraubverbindungen, Klemmsitze Presspassungen oder Verbindun- gen mit federnden Zwischengliedern. Zu den stoffschlüssigen Verbindungen zählen
Schweißen, Löten und Kleben.
Bevorzugt sind stoffschlüssige Verbindungen, da diese den besten Wärmeübergang von den gasdurchlässigen Platten an den Wärmeübertrager gewährleisten.
Eine isotherme Wirbelschicht wird vorzugsweise dadurch erhalten, dass eine möglichst große Wärmeübertragungsfläche zur Verfügung gestellt wird. Geeignete Wärmeübertrager sind zum Beispiel Rohrbündel-Wärmeübertrager mit horizontal oder vertikal in der Wirbelschicht angeordneten Rohren oder vertikal in der Wirbelschicht angeord- nete Platten, in denen ein Wärmeträger strömt. Dabei sind die Wärmeübertragerrohre oder Wärmeübertragerplatten innerhalb der Wirbelschicht vorzugsweise derart angeordnet, dass die Fluidisierung der Wirbelschicht durch den Einbau des Wärmeübertragers nicht gestört wird.
Bei Verwendung von Platten, in denen ein Wärmeträger strömt, sind diese vorzugsweise durch die gasdurchlässigen Platten miteinander verbunden, wobei die gasdurchlässigen Platten vorzugsweise senkrecht zu den Wärmeübertragerplatten angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform mit Rohrbündel-Wärmeübertrager sind die ein- zelnen vertikal in der Wirbelschicht angeordneten Wärmeübertragerrohre durch horizontal verlaufende Rohre miteinander verbunden. Die gasdurchlässigen Platten liegen dann vorzugsweise auf den horizontal verlaufenden Rohren auf. In einer weiteren Ausführungsform können die horizontal verlaufenden Rohre auch in die gasdurchlässigen Platten integriert sein. Dabei werden von den horizontal verlaufenden Rohren um- schlossene Flächen mit den gasdurchlässigen Platten verschlossen.
Der Wärmeträger ist so zu wählen, dass dieser bei den im Wärmeübertrager auftretenden Temperaturen chemisch und thermisch stabil ist. So eignen sich als Wärmeträger zum Beispiel Salzschmelzen oder bevorzugt Flüssigkeiten, die bei der Reaktionstempe- ratur im Bereich von bis zu 400°C verdampfen. Besonders bevorzugt als Wärmeträger ist Wasser bei einem Druck von 10 bis 60 bar. Der Vorteil von verdampfenden Flüssigkeiten als Wärmeträger liegt darin, dass sich während der Verdampfung des Wärmeträ- gers dessen Temperatur nicht ändert. So lassen sich im Wärmeübertrager isotherme Bedingungen herstellen.
Als Werkstoff für den Wärmeübertrager werden vorzugsweise Stahl oder Nickellegie- rungen eingesetzt. Der Einsatz von Nickellegierungen erfolgt vorzugsweise dann, wenn eine Kondensation von Salzsäure nicht ausgeschlossen werden kann. So kondensiert Wasser zum Beispiel bei einem Druck von 25 bar bereits bei einer Temperatur von etwa 224°C. Mit dem Auftreten von flüssigem Wasser löst sich Chlorwasserstoff in diesem unter Bildung von Salzsäure.
Durch den Einbau der gasdurchlässigen Platten in die Wirbelschicht wird durch eine gezielte Beeinflussung der Blasen- und Feststoffbewegung die Gasverweilzeit im Reaktor optimiert. Die gasdurchlässigen Platten dienen insbesondere dazu, agglomerierte Gasblasen auseinander zu reißen und so dafür zu sorgen, dass kleinere Gasblasen gleichmäßig im Wirbelschichtgranulat verteilt sind. Als gasdurchlässige Platten werden bevorzugt Lochbleche oder gitterförmige Strukturen eingesetzt. Die Größe der einzelnen Öffnungen in den gasdurchlässigen Platten liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 1 bis 100.000 mm2, mehr bevorzugt im Bereich von 5 bis 10.000 mm2, insbesondere im
Bereich von 10 bis 1000 mm2.
In einer weiteren Ausführungsform sind die gasdurchlässigen Platten als geordnete oder ungeordnete Gewebestrukturen ausgebildet. Geordnete Gewebestrukturen sind zum Beispiel gitter- oder netzförmige Strukturen, ungeordnete Gewebestrukturen sind zum Beispiel Gestricke oder Geflechte.
Die Größe der Öffnungen beziehungsweise die Struktur der gasdurchlässigen Platten ist so ausgeführt, dass eine Blasenkoaleszenz vermieden wird. Entgegen des dem Fachmann allgemein bekannten Zusammenhangs, dass Störungen der Feststoffbewegung durch Einbauten zu Verlusten bei der Wärmeübertragungsleistung in der Wirbelschicht führen, zeigt sich, dass durch Vermeidung von Blasenkoaleszenz, was zu kleineren Gasblasen in der Wirbelschicht führt, der Wärmetransport innerhalb der Wirbelschicht so verbessert wird, dass dieser die Verluste durch die Einbauten überwiegt und so der Wärmetransport in der Wirbelschicht insgesamt besser wird. Aufgrund der kleineren Gasblasen wird die Wirbelschicht besser durchmischt, was zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung führt. Auch wird der Wärmetransport innerhalb der Wirbelschicht nicht durch große Gasblasen, die isolierend wirken, behindert. Das führt weiterhin zu einem verbesserten Wärmetransport an den Wärmeübertrager und somit zu einer besse- ren Wärmeabfuhr aus der Wirbelschicht. Aus diesem Grund lässt sich der Wärmeübertrager kleiner dimensionieren, was zu Material- und damit Kosteneinsparungen führt.
Die gasdurchlässigen Platten haben vorzugsweise einen Abstand von 5 bis 200 cm, mehr bevorzugt von 10 cm bis 100 cm und besonders bevorzugt von 20 bis 50 cm.
Die gasdurchlässigen Platten sind ebenso wie der Wärmeübertrager vorzugsweise aus Stahl oder Nickellegierungen ausgeführt. Auch hier werden Nickellegierungen dann eingesetzt, wenn eine Kondensation von Salzsäure nicht ausgeschlossen werden kann. Die Wirbelschicht wird vorzugsweise durch eine Reaktorwand gegen die Umgebung abgegrenzt. Die Reaktorwand ist dabei vorzugsweise gasdicht und gegen die Umgebung thermisch isoliert ausgeführt. Hierdurch wird beispielsweise vermieden, dass an der Reaktion beteiligte Gase über die Reaktorwand an die Umgebung entweichen können. Durch die thermische Isolierung der Reaktorwand wird verhindert, dass die Reaktions- temperatur im Randbereich der Wirbelschicht absinkt. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Reaktion über den gesamten Bereich der Wirbelschicht gleichmäßig erfolgt. Auch wird durch die Isolierung der Reaktorwand der sicherheitstechnische Aufwand reduziert, da außerhalb des Reaktors keine heißen Oberflächen auftreten, die bei Berührung zu Verbrennungen führen können.
Die Reaktorwand ist vorzugsweise zylindrisch ausgeführt, kann jedoch auch jeden beliebigen anderen Querschnitt annehmen. Die Wandstärke der Reaktorwand ist vorzugsweise so dimensioniert, dass thermische Spannungen über den Umfang und die Höhe der Reaktorwand vermieden werden. Dabei muss gleichzeitig die mechanische Stabilität der Reaktorwand gewährleistet sein.
Als Material für die Reaktorwand eignet sich jede metallische Verbindung, bei der eine Nebenproduktbildung im Reaktor ausgeschlossen werden kann und die die mechanische Stabilität gewährleistet. Bevorzugt wird die Reaktorwand aus Stahl oder Nickellegie- rungen gefertigt. Des Weiteren kann die Reaktorwand mit Nickel oder Nickellegierungen ausgekleidet sein. Dabei werden Nickellegierungen insbesondere dann verwendet, wenn eine Kondensation von Salzsäure im Reaktor nicht ausgeschlossen werden kann.
Die Zufuhr der Eduktgase Chlorwasserstoff und Sauerstoff erfolgt vorzugsweise über eine unterhalb der Wirbelschicht angeordnete Windbox. Dabei können ein Chlorwasserstoff enthaltender Gasstrom und ein Sauerstoff enthaltender Gasstrom getrennt der Windbox zugeführt und in der Windbox vermischt werden. Vorzugsweise erfolgt die Mischung jedoch bereits vor der Windbox, so dass ein Chlorwasserstoff und Sauerstoff enthaltender Gasstrom zugeführt wird.
Die Gaszufuhr zur Windbox kann an der Unterseite der Windbox, seitlich oder tangen- tial erfolgen. Bei tangentialer Gaszufuhr bildet sich innerhalb der Windbox ein Wirbel aus. Bei der Gaszufuhr von unten erfolgt die Zufuhr vorzugsweise zentrisch. Die Windbox kann jede beliebige dem Fachmann bekannte Form annehmen. Bei Verwendung eines Wirbelschichtreaktors mit kreisförmigem Querschnitt ist die Windbox vorzugsweise rund-gewölbt, konisch oder zylindrisch ausgeführt.
Als Material für die Windbox eignen sich alle metallischen Verbindungen, bei denen eine Nebenproduktbildung ausgeschlossen werden kann und die mechanische Stabilität gewährleistet ist. Neben metallischen Werkstoffen kann die Windbox jedoch auch aus keramischen Werkstoffen gefertigt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Edukt-Gasstrom zentrisch von unten in die Windbox geleitet. Die Windbox ist dabei rund-gewölbt und so ausgeführt, dass plötzliche Querschnittserweiterungen vermieden werden. Durch die Vermeidung von Kanten innerhalb der Windbox werden Verwirbelungen unterbunden, die zu Erosion an der Windbox-Innenwand führen können.
Um die Gleichverteilung des Gasstroms in der Windbox zu verbessern und zu gewährleisten, dass das Gas gleichmäßig in die Wirbelschicht strömt, ist in der Windbox in einer bevorzugten Ausführungsform eine Prallvorrichtung angeordnet, gegen welche das einströmende Gas strömt. Die durch die Prallvorrichtung erzwungene Umlenkung des Gasstromes führt zu einer Dissipation des Impulses des einströmenden Eduktgases. Die Prallvorrichtung ist vorzugsweise als einfache Platte, in Form eines Trichters oder rund-gewölbt ausgeführt. Die Prallplatte besteht wie alle anderen Oberflächen, die mit den Reaktionsgasen in Kontakt kommen können, vorzugsweise aus Stahl oder Nickelle- gierungen. Dabei werden die Nickellegierungen eingesetzt, wenn eine Kondensation von Salzsäure nicht ausgeschlossen werden kann.
An die Windbox schließt sich ein Gasverteiler an, über den der Gasstrom in die Wirbelschicht geleitet wird. Der Gasverteiler ist dabei vorzugsweise so ausgelegt, dass eine gleichmäßige Gasverteilung über dem Querschnitt gewährleistet ist.
Als Gasverteiler eignen sich zum Beispiel Lochböden oder in einem Boden verteilte Gasverteilerdüsen . Bei Verwendung einer Windbox für die Gaszufuhr zur Wirbelschicht ist der Gasverteiler vorzugsweise die Begrenzung zwischen der Windbox und der Wirbelschicht.
Neben der Gaszufuhr über die Windbox kann das Gas auch ohne Verwendung einer Windbox direkt der Wirbelschicht zugeführt werden. Dazu ist der Gasverteiler vorzugsweise als ein Rohrleitungssystem ausgeführt, über welches das Gas in die Wirbelschicht strömt.
Die katalytische Chlorwasserstoff-Oxidation wird bevorzugt isotherm oder annähernd isotherm in der Wirbelschicht bei Reaktortemperaturen von 180 bis 500°C, bevorzugt 200 bis 450°C, besonders bevorzugt 300 bis 400°C und einem Druck von 1 bis 25 bar, bevorzugt 1,2 bis 20 bar, besonders bevorzugt 1,5 bis 17 bar und insbesondere 2,0 bis 15 bar durchgeführt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren können grundsätzlich alle bekannten Katalysatoren für die Oxidation von Chlorwasserstoff zu Chlor eingesetzt werden, beispielsweise die eingangs beschriebenen, aus DE-A 197 48 299 oder DE-A 197 34 412 bekannten Katalysatoren auf Basis von Ruthenium. Weiterhin geeignet sind auch die in DE-A 102 44 996 beschriebenen Katalysatoren auf Basis von Gold, enthaltend auf einem Träger 0,001 bis 30 Gew.- Gold, 0 bis 3 Gew.-% eines oder mehrerer Erdalkalimetalle, 0 bis 3 Gew.-% eines oder mehrerer Alkalimetalle, 0 bis 10 Gew.-% eines oder mehrerer Sel- tenerd-Metalle und 0 bis 10 Gew.-% eines oder mehrerer weiterer Metalle, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruthenium, Palladium, Osmium, Iridium, Silber, Kupfer und Rhenium, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das zur Bildung der Wirbelschicht verwendete Granulat den heterogenen Katalysator. Hierzu bilden vorzugsweise die einzelnen Körner des Wirbelschichtgranulates die Katalysatorträger, die mit Aktivmasse getränkt sind. Als Trägermaterialien eignen sich beispielsweise Siliciumdioxid, Graphit, Titandioxid mit Rutil- oder Anatas-Struktur, Zirkondioxid, Aluminiumoxid oder deren Gemische, bevorzugt Titandioxid, Zirkondioxid, Aluminiumoxid oder deren Gemische, besonders bevorzugt γ- oder δ- Aluminiumoxid oder deren Gemische.
Die Kupfer- bzw. die Rutheniumträgerkatalysatoren können beispielsweise durch Trän- kung des Trägermaterials mit wässrigen Lösungen von CuCl2 bzw. RuCl3 und gegebenenfalls eines Promotors zur Dotierung, bevorzugt in Form ihrer Chloride, erhalten werden. Die Formgebung des Katalysators kann nach oder bevorzugt vor der Tränkung des Trägermaterials erfolgen. Zur Dotierung eignen sich als Promotoren Alkalimetalle wie Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium und Caesium, bevorzugt Lithium, Natrium und Kalium, besonders bevorzugt Kalium, Erdalkalimetalle wie Magnesium, Calcium, Strontium und Barium, bevorzugt Magnesium und Calcium, besonders bevorzugt Magnesium, Seltenerdmetalle wie Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Brasiodym und Neodym, bevorzugt Scanium, Yttrium, Lanthan und Cer, besonders bevorzugt Lanthan und Cer, oder deren Gemische.
Die Granulatkörner können anschließend bei Temperaturen von 100 bis 400°C, bevorzugt 100 bis 300°C, beispielsweise unter einer Stickstoff-, Argon- oder Luftatmosphäre getrocknet und gegebenenfalls kalziniert werden. Bevorzugt werden die Granulatkörner zunächst bei 100 bis 150°C getrocknet und anschließend bei 200 bis 400°C kalziniert.
Neben dem mit Aktivmasse getränkten Wirbelschichtgranulat können in der Wirbelschicht auch zusätzlich Granulatkörner aus inertem Material vorliegen. Als Inertmateri- al können zum Beispiel Titandioxid, Zirkondioxid oder deren Gemische, Aluminiumoxid, Steatit, Keramik, Glas, Graphit oder Edelstahl verwendet werden. Dabei haben die Granulatkörner aus Inertmaterial vorzugsweise ähnliche äußere Abmessungen wie die mit Aktivmasse getränkten Granulatkörner.
Oberhalb der Wirbelschicht befindet sich eine Entmischungszone, in der sich das fluidi- sierte Wirbelschichtgranulat von der Gasphase trennt. Um das Gas möglichst feststofffrei aus dem Wirbelschichtreaktor abzuziehen, sind in der Entmischungszone in einer bevorzugten Ausführungsform Feststoffabscheider eingesetzt, die den Grad der Fest- stoffabscheidung erhöhen.
Dabei sind die Feststoffabscheider vorzugsweise in einer Höhe angeordnet, die oberhalb der Austragshöhe der Granulatkörner liegt, die beim Austritt der Gasblasen aus der Wirbelschicht emporgeschleudert werden. Durch den entsprechenden Abstand zwischen der Wirbelschicht und den Feststoffabscheidern wird somit die notwendige Abscheide - leistung der Feststoffabscheider minimiert.
Als Feststoffabscheider eignen sich zum Beispiel Zyklone oder Filterkerzen.
Zur Reduzierung der Leerrohrgasgeschwindigkeit in der Entmischungszone wird dieser Bereich konisch erweitert. Hierdurch kann die notwendige Abscheideleistung der Feststoffabscheider weiter reduziert werden. Als Material für die Entmischungszone und den mindestens einen Feststoffabscheider werden vorzugsweise metallische Verbindungen eingesetzt, bei denen eine Nebenproduktbildung ausgeschlossen werden kann und welche die notwendige mechanische Stabilität gewährleisten. Besonders bevorzugte Werkstoffe für Feststoffabscheider und Entmischungszone sind Stahl oder Nickellegierungen. Geeignete Nickellegierungen sind zum Beispiel Hasteloy-Werkstoffe oder Inconell. Diese werden dann eingesetzt, wenn eine Kondensation von Salzsäure nicht ausgeschlossen werden kann.
Bei dem Einsatz von Filterkerzen zur Feststoffabscheidung können neben den geeigne- ten Metallverbindungen auch Keramikwerkstoffe eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Darin zeigt:
Figur 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Wirbelschichtreaktor,
Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie AA in Figur 1,
Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie BB in Figur 1,
Figur 4 das Detail C aus Figur 1,
Figur 5 einen Schnitt entlang der Linie DD in Figur 1.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Wirbelschichtreaktor in schematischer Darstellung.
Ein Reaktor 1 umfasst eine Wirbelschicht 2, eine Windbox 3, einen Gasverteiler 4, eine Entmischungszone 5 und mindestens einen Feststoffabscheider 6. Die Eduktgase werden der Windbox 3 zugeführt. Die Gaszufuhr ist hier mit dem Pfeil 7 gekennzeichnet. Die Gaszufuhr zur Windbox 3 kann dabei wie hier dargestellt von unten oder aber seitlich erfolgen. Dabei können der chlorwasserstoffhaltige Gasstrom und der sauerstoffhal- tige Gasstrom vor der Windbox 3 gemischt werden oder aber getrennt der Windbox 3 zugeführt werden. Bei getrennter Zufuhr erfolgt die Mischung dann in der Windbox 3. Von der Windbox 3 strömt das Gas über den Gasverteiler 4 in die Wirbelschicht 2. Aufgabe des Gasverteilers 4 ist dabei, dass das Gas gleichmäßig in die Wirbelschicht 2 einströmt und so eine gute Durchmischung von Gas und Feststoff in der Wirbelschicht 2 erreicht wird. Der Gasverteiler 4 kann dabei ein Lochboden oder ein Boden mit darin verteilten Gasverteilerdüsen sein.
In der Wirbelschicht 2 erfolgt die Umsetzung des Chlorwasserstoffs und Sauerstoffs zu Chlor und Wasser. Bei dieser Reaktion wird Wärme frei, die über einen Wärmeübertrager 9 abgeführt wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Reaktion bei isothermen oder nahezu isothermen Bedingungen abläuft.
Über mindestens einen Wärmeträgerzulauf 10 wird dem Wärmeübertrager 9 ein Wärmeträger zugeführt. Der Wärmeträger strömt über mindestens ein Wärmeträgerzulaufrohr 18 in mindestens einen Wärmeträgerverteiler 11. Bei dem hier dargestellten Wärmeübertrager 9 befindet sich der Wärmeträgerzulauf 10 im oberen Bereich der Wirbelschicht 2. Der Wärmeträgerzulauf 10 kann jedoch auch in jeder beliebigen anderen Hö- he der Wirbelschicht 2 angeordnet sein.
Von dem mindestens einen Wärmeträgerverteiler 11 zweigen vertikal in der Wirbelschicht positionierte Wärmeübertragerrohre 15 ab. Zur Vergrößerung der Wärmeüber- tragungsfläche sind die Wärmeübertragerrohre 15 mit Querrohren 16 verbunden. Dabei werden die Querrohre 16 ebenfalls mit dem Wärmeträger durchströmt. Bei Verwendung eines Wärmeträgers, der durch die Aufnahme der bei der Reaktion freigesetzten Wärme verdampft, sind die Querrohre 16 vorzugsweise leicht gegen die Horizontale geneigt, damit sich in den Querrohren 16 keine Dampfpfropfen bilden können, die das Querrohr 16 verstopfen. Der Winkel, mit dem die Querrohre 16 gegen die Horizontale geneigt sind, ist vorzugsweise < 10°, mehr bevorzugt < 5° und besonders bevorzugt < 2°.
Beim Einsatz von Wärmeübertragern 9, bei denen die Anzahl der Wärmeträgerzuläufe
10 und der Wärmeträgerverteiler 11 nicht übereinstimmt, sind die Wärmeträgerverteiler
11 vorzugsweise über einen Flüssigkeitssammler 12 miteinander verbunden, über den der Wärmeträger in die Wärmeträgerverteiler 11 verteilt wird.
An dem dem Wärmeträgerverteiler 11 gegenüberliegenden Ende münden die Wärmeübertragerrohre 15 in mindestens einen Dampfsammler 13. Wenn der Wärmeübertrager 9 mehrere Dampfsammler 13 umfasst, sind diese vorzugsweise mit einem Dampfabzug 14 verbunden. Über den Dampfabzug 14 wird der verdampfte Wärmeträger aus dem Wärmeübertrager 9 abgezogen. Der Wärmeträger wird dann vorzugsweise einem weiteren Wärmeübertrager zugeführt, in dem er wieder auskondensiert, um so erneut dem Wärmeübertrager 9 in flüssiger Form zugeführt werden zu können. Auf diese Weise lässt sich ein geschlossener Wärmeträgerkreislauf realisieren.
Zur weiteren Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche und um eine gleichmäßige Gasblasenverteilung in der Wirbelschicht zu erreichen, sind in der Wirbelschicht quer zur Strömungsrichtung des Gases gasdurchlässige Platten 17 aufgenommen. Die gasdurchlässigen Platten 17 sind wärmeleitend mit den Wärmeübertragerrohren 15 verbunden. Die Verbindung erfolgt dabei vorzugsweise stoffschlüssig durch Schweißen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die gasdurchlässigen Platten 17 mit den Quer- röhren 16 stoffschlüssig, zum Beispiel durch Schweißen, verbunden. Die gasdurchlässigen Platten 17 sind vorzugsweise als Lochblech oder als geordnete oder ungeordnete Gewebestruktur ausgebildet.
An die Wirbelschicht 2 schließt sich die Entmischungszone 5 an. In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt in Strömungsrichtung des Gases der Querschnitt der Entmischungszone 5 zu. Die Entmischungszone 5 beschreibt den Bereich, in dem sich das Wirbelschichtgranulat vom Gas trennt. Zur Abtrennung von Granulatkörnern, die mit dem Gasstrom mitgerissen werden, ist vorzugsweise im oberen Bereich der Entmischungszone 5 mindestens ein Feststoffabscheider 6 angeordnet. Neben der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform, bei der der mindestens eine Feststoffabscheider 6 innerhalb des Reaktors 1 angeordnet ist, kann der mindestens eine Feststoffabscheider 6 auch außerhalb des Reaktors 1 angeordnet sein. Mit dem Pfeil 8 ist die sich an den mindestens einen Feststoffabscheider 6 anschließende Produktabfuhr gekennzeichnet.
Figur 2 zeigt einen Schnitt in Draufsicht entlang der Linie AA in Figur 1. In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Reaktor 1 durch eine Reaktorwand 21 mit kreisförmigem Querschnitt begrenzt. Die Reaktorwand 21 ist vorzugsweise isoliert, damit nur ein geringer Wärmestrom über die Reaktorwand 21 abgeführt wird. Dies dient gleichzeitig der Betriebssicherheit, da so vermieden wird, dass die Reaktorwand 21 an ihrer Außenseite zu warm wird und so bei Berührung zu Verbrennungen führen kann. Die bei der Reaktion entstehende Wärme wird über den Wärmeübertrager 9 abgeführt. Über die Temperiermediumszuläufe 10 wird in Richtung der Pfeile 19 das Temperiermedium zugeführt. Das Temperiermedium strömt über die in Figur 3 dargestellten Temperiermediumszulaufrohre 18 zu den Temperiermediumsverteilern 11. In den eben- falls in Figur 3 dargestellten Wärmeübertragerrohren 15 strömt das Temperiermedium in Richtung der in Figur 2 dargestellten Dampfsammler 13. Durch die Wärmeaufnahme verdampft das Temperiermedium in den Wärmeübertragerrohren 15. In den Dampfsammlern 13 wird das verdampfte Temperiermedium gesammelt und dem Dampfabzug 14 zugeführt. Aus dem Dampfabzug 14 wird das dampfförmige Temperiermedium aus dem Wärmeübertrager 9 abgezogen. Dies ist durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet.
Um zu verhindern, dass Gasblasen innerhalb der Wirbelschicht 2 agglomerieren und um eine gleichmäßige Durchmischung der Wirbelschicht 2 zu erreichen, sind in den Figuren 2 und 3 gitterförmig ausgebildete gasdurchlässige Platten 17 dargestellt.
Figur 4 zeigt das in Figur 1 mit C gekennzeichnete Detail. Die vertikal verlaufenden Wärmeübertragerrohre 15 sind vorzugsweise in regelmäßigen Abständen durch die Querrohre 16 miteinander verbunden. Dabei entsprechen die Abstände vorzugsweise den Abständen, in denen die gasdurchlässigen Platten 17 angeordnet sind. Die Querrohre 16 sind vorzugsweise stoffschlüssig mit den Wärmeübertragerrohren 15 verbunden. Die Verbindung kann jedoch auch kraftschlüssig zum Beispiel durch Rohrschellen oder beliebige andere dem Fachmann bekannte Rohrverbindungen erfolgen. Die gasdurchlässigen Platten 17 sind vorzugsweise wärmeleitend mit den Querrohren 16 verbunden. Dazu können die gasdurchlässigen Platten 17 wie hier dargestellt oberhalb der Querrohre 16 angeordnet sein, jedoch ist auch eine Anordnung denkbar, bei der die gasdurchlässigen Platten 17 unterhalb der Querrohre 16 angeordnet sind oder die gasdurchlässigen Platten 17 von den Querrohren 16 durchzogen werden.
Der Wärmeträger strömt vorzugsweise von den vertikal verlaufenden Wärmeübertragerrohren 15 in die Querrohre 16. Um zu vermeiden, dass sich bei Verdampfen des Wärmeträgers Dampfpfropfen in den Querrohren 16 bilden, die die Querrohre 16 verstop- fen, sind die Querrohre 16 vorzugsweise leicht geneigt angeordnet.
Figur 5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie DD in Figur 1.
Figur 5 ist zu entnehmen, dass die Wärmeträgerzulaufrohre 18 nicht über Querrohre 16 mit den Wärmetauscherrohren 15 verbunden sind. Hierdurch wird gewährleistet, dass kein verdampfter Wärmeträger in die Wärmeträgerzulaufrohre 18 strömen kann. Weiterhin wird so gewährleistet, dass der gesamte Wärmeträger über die Wärmeträgerverteiler 11 in die Wärmeübertragerrohre 15 gelangt. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung und Wärmeträgerverteilung im Wärmeübertrager 9 erreicht. In der hier dargestellten Ausführungsform ist zu sehen, dass jeweils alle Wärmeübertragerrohre 15 durch die Querrohre 16 miteinander verbunden sind. Entsprechend der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Querschnitte ist auch der hier dargestellten Ausführungsform eine gitterförmig ausgebildete gasdurchlässige Platte 17 zu entnehmen.
Bezugszeichenliste
Reaktor Wirbelschicht Windbox Gasverteiler Entmischungszone Feststoffabscheider Gaszufuhr Produktabfuhr Wärmeübertrager Wärmeträgerzulauf Wärmeträgerverteiler Wärmeträgersammler Dampf sammler Dampfabzug Wärmeübertragerrohre Querrohre gasdurchlässige Platten Wärme trägerzulauf rohr Zulauf rieh tung des Wärmeträgers Strömungsrichtung des Wärmeträgers Reaktorwand Richtung des Wärmeträgerabzugs

Claims

Patentansprüche
1. Reaktor zur Herstellung von Chlor aus Chlorwasserstoff durch Gasphasenoxidation mit Sauerstoff in Gegenwart eines heterogenen Katalysators in einer Wirbelschicht (2), wobei in der Wirbelschicht (2) gasdurchlässige Platten (17) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdurchlässigen Platten (17) mit einem in der Wirbelschicht (2) angeordneten Wärmeübertrager (9) wärmeleitend verbunden sind.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit der gasdurchlässigen Platten (17) größer ist als die Wärmeleitfähigkeit der Wirbelschicht (2).
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (9) horizontal in der Wirbelschicht verlaufende Rohre (16) aufweist, die mit den gasdurchlässigen Platten (17) verbunden sind.
4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Rohre (16) vertikale Wärmeübertragerrohre (15) eines Rohrbündel-Wärmeübertragers (9) verbinden.
5. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdurchlässigen Platten (17) vertikal angeordnete Platten eines Plattenwärmeübertragers mit- einander verbinden.
6. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den gasdurchlässigen Platten (17) Kanäle oder Rohre verlaufen, die von einem Wärmeträger durchströmt werden.
7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als gasdurchlässige Platten (17) Lochbleche verwendet werden.
8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als gas- durchlässige Platten geordnete oder ungeordnete Gewebestrukturen eingesetzt werden.
9. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Chlorwasserstoff und der Sauerstoff der Wirbelschicht über eine Windbox (3) und einen Gasverteiler (4) zugeführt werden.
10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasverteiler (4) mindestens ein Lochboden verwendet wird.
11. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasverteiler (4) mindestens ein Boden mit Gasverteilerdüsen verwendet wird.
12. Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Windbox (3) eine Prallvorrichtung oberhalb der Gaseinströmöffnung angeordnet ist.
13. Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallvorrichtung ein quer zur Anströmrichtung ausgerichtetes ebenes, rund-gewölbtes oder trichterförmig geformtes Blech ist.
14. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Wirbelschicht (2) ein Wirbelschichtgranulat verwendet wird, welches den heterogenen Katalysator enthält.
15. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktorinnenwände (21), gasdurchlässige Platten (17), Wärmeübertrageroberflächen, Innenwände der Windbox (3) und der Gasverteiler (4) aus Stahl oder Nickellegierungen gefertigt sind.
16. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler (4) aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist.
17. Verfahren zur Herstellung von Chlor aus Chlorwasserstoff durch Gasphasenoxidation mit Sauerstoff unter Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
PCT/EP2005/001249 2004-02-11 2005-02-08 Reaktor und verfahren zur herstellung von chlor aus hcl WO2005077520A1 (de)

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