WO2007045531A1 - Vorrichtung zur durchführung chemischer reaktionen - Google Patents

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WO2007045531A1 PCT/EP2006/066471 EP2006066471W WO2007045531A1 WO 2007045531 A1 WO2007045531 A1 WO 2007045531A1 EP 2006066471 W EP2006066471 W EP 2006066471W WO 2007045531 A1 WO2007045531 A1 WO 2007045531A1
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Achim Fischer
Harald Heinzel
Christoph Weckbecker
Klaus Huthmacher
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Definitions

  • the invention relates to a device for carrying out chemical reactions, in particular for carrying out exothermic and highly exothermic reactions in which a gas phase is passed over a Festgut thoroughlyung and reacted.
  • tube bundle reactors Strong exothermic reactions are usually carried out in tube bundle reactors by means of a heterogeneous catalyst.
  • Numerous examples are available in the literature: According to EP 0 188 532 (Nippon Kayaku) or JP 11080052 (Toa Gosei Chemical Industry Co.), tube bundle reactors are used to convert propene to acrolein and acrylic acid. According to DE 102 60 094 (BASF AG), tube bundle reactors are likewise used for the preparation of cyclic diisocyanates.
  • Reactors of this type are not very flexible use. So u.a. with the number of tubes of the reactor, the nominal capacity of the reactor. By suitable closing of individual tubes, this can indeed be reduced, but an increase in the nominal capacity is not possible without much effort.
  • the objects of the invention is to provide a flexible reactor. This is to be understood that z. B. a changing reaction performance over the life of the catalyst may require an adjustment of the reaction area. It could also be expedient, for example, to exchange tubes for one or more hordes or plates. Even a cleaning, repairs or catalyst change force in a conventional
  • the invention relates to a device serving as a reactor for carrying out exothermic chemical reactions, which consists of a housing and a reaction-carrying unit, with detailed technical solutions by the entire reactor meets the requirements of functionality, pressure and temperature.
  • the passages of the lines leading in or out of the reaction-leading unit are supplemented by the housing wall by force-absorbing units.
  • the reaction unit is interchangeably installed by the arrangement of a main flange connection in the upper third of the housing (reactor hood), with which it can be separated from the rest of the housing.
  • reaction-carrying unit for example in the form of an array of tubes, plates or one or more hordes (bundled tubes or plates) can be used interchangeably.
  • This unit is preferably introduced suspended or standing in the reactor jacket.
  • the reaction-filling unit filling the housing may consist of a plurality of modules arranged side by side and / or one another be attached to each other. The number n of these modules can be up to 10.
  • the reactor on which the invention is based is particularly suitable for carrying out exothermic and strongly exothermic reactions in which the educt gas is reacted by means of a heterogeneous catalyst.
  • the apparatus is suitable for the exothermic conversion of methanol with H2S to methylmercaptan.
  • the apparatus also for the implementation z. B. a C3 component at a higher temperature over a heterogeneous mixed oxide catalyst with oxygen, water vapor and / or an inert gas or preferably an exhaust gas from the reaction, from which the condensable components are separated.
  • the construction of the reactor housing is characterized in that, in contrast to conventional tube bundle reactors, the reaction space, designed as a pressure chamber, encloses the cooling space.
  • the reaction space designed as a pressure chamber
  • Part of the inventive concept is the rapid interchangeability of the reaction-bearing unit.
  • an embodiment of the invention consists of a reactor housing which is connected via a force-absorbing unit to the reaction-carrying unit.
  • the reaction-carrying units can be suspended or anchored to the reactor housing, so that, depending on the arrangement, the upper or the lower side of the reaction-carrying unit can expand or contract with thermal stresses.
  • the reactor shell is equipped with a force - absorbing unit in such a way that these are responsible for the passage of the incoming or outgoing Lines located on the inside of the reactor shell or on the outside of the reactor shell.
  • the force-absorbing unit is able to absorb the elongation or shortening of the reaction-bearing unit and thereby compensate for the stresses on the passages of the reactor shell.
  • EP 0895806 and EP 1048343 A2 describe the compensation of the stresses by the principle of convolution.
  • Another embodiment is that the incoming or outgoing lines are guided in a bent and thus in a sufficiently elastic form (see Figure 2).
  • Another object of the invention is an arrangement of the reaction-carrying unit, which is advantageously attached in a hanging position on the reactor hood. For example, by arranging a main flange connection in the upper region of the housing (reactor hood), preferably in the upper third, a rapid change of the reaction-carrying units, in whole or in part, can be carried out.
  • the device on which the invention is based is particularly suitable for carrying out exothermic and strongly exothermic reactions, in which a gas phase is passed over a solids bed and reacted.
  • This reaction can be, for example, the conversion of methanol with H 2 S to methyl mercaptan, which proceeds heterogeneously catalyzed at elevated pressure and temperature with exothermic heat generation.
  • the temperature of the reaction can be up to 600 ° C. Reaction temperatures are preferably from 250 to 600 0 C.
  • the reaction gas should usually have a specific gas velocity GHSV 500-5000 h-1 (gas flow in [l / h] / volume of catalyst [I]) have and can at a pressure up to 50 bar Section . be reacted.
  • the formulation of the catalyst is not limited.
  • the catalyst can be used for example as an extrudate, as a powder or supported active material.
  • Figure 1 device, overall picture

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung exothermer chemischer Reaktionen bei der eine Gasphase über eine Festgutschüttung geleitet und zur Reaktion gebracht wird, bestehend aus einem Gehäuse und einer austauschbaren reaktionsführenden Einheit.

Description

Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen, insbesondere zur Durchführung von exothermen und stark exothermen Reaktionen, bei der eine Gasphase über eine Festgutschüttung geleitet und zur Reaktion gebracht wird.
Stark exotherme Reaktionen werden in der Regel in Rohrbündelreaktoren mittels eines heterogenen Katalysators durchgeführt. Hierfür gibt es in der Literatur zahlreiche Beispiele: Gemäß EP 0 188 532 (Nippon Kayaku) oder JP 11080052 (Toa Gosei Chemical Industry Co.) werden Rohrbündelreaktoren zur Umsetzung von Propen zu Acrolein und Acrylsäure eingesetzt. Gemäß DE 102 60 094 (BASF AG) werden zur Herstellung von cyclischen Diisocyanaten ebenfalls Rohrbündelreaktoren verwendet.
Reaktoren dieses Typs sind jedoch nicht sehr flexibel einzusetzen. So liegt u.a. mit der Rohrzahl des Reaktors die Nennkapazität des Reaktors fest. Durch geeignetes Verschließen einzelner Rohre kann diese zwar verkleinert werden, eine Vergrößerung der Nennkapazität ist jedoch nicht ohne größeren Aufwand möglich.
Die Aufgaben der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines flexibel einsetzbaren Reaktors. Darunter ist zu verstehen, dass z. B. eine sich verändernde Reaktionsleistung über die Lebensdauer des Katalysators eine Anpassung der Reaktionsfläche erforderlich machen kann. Ebenfalls könnte es zweckmäßig sein, beispielsweise Rohre gegen eine oder mehrere Horden oder gegen Platten auszutauschen. Auch eine Reinigung, Instandsetzungen oder Katalysatorwechsel erzwingen bei einem herkömmlichen
Rohrbündelreaktor Stillstandzeiten, die große Kosten durch den Ausfall von Produktionskapazitäten verursachen. Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, ist es je nach Prozess jedoch zweckmäßig, die Geometrie der reaktionsführenden Einheit zu optimieren: So kann es für den Prozess vorteilhaft sein, den Rohrdurchmesser oder die Rohrlänge zu verändern, wenn beispielsweise ein verbesserter Katalysator eingesetzt wird. Gegenstand der Erfindung ist eine als Reaktor dienende Vorrichtung zur Durchführung exothermer chemischer Reaktionen, die aus einem Gehäuse und einer reaktionsführenden Einheit besteht, wobei durch technische Detaillösungen der gesamte Reaktor den Anforderungen an Funktionalität, Druck und Temperatur Rechnung trägt. In einer besonderen Ausführungsform sind die Durchführungen der von der reaktions-führenden Einheit zu- oder abführenden Leitungen durch die Gehäusewandung durch kraftaufnehmende Einheiten ergänzt.
Diese dienen zum einen dazu, die reaktionsführende Einheit im Gehäuse durch eine kraftaufnehmende Stutzendurchführung zu verankern, zum anderen dienen sie dazu, im Reaktor auftretende Spannungen, insbesondere Wärmespannungen, die durch das Aufheizen und Abkühlen der reaktionsführenden Einheit entsteht, abzufangen.
Die reaktionsführende Einheit ist durch die Anordnung einer Hauptflanschverbindung im oberen Drittel des Gehäuses (Reaktorhaube) , mit der diese von dem restlichen Gehäuse getrennt werden kann, austauschbar eingebaut.
Je nach den Erfordernissen der Reaktionstechnik für exotherme Reaktionen, kann jeweils die geeignetste reaktionsführende Einheit, beispielsweise in Form einer Anordnung von Rohren, von Platten oder einer oder mehrerer Horden (gebündelten Rohren oder Platten) austauschbar eingesetzt werden. Diese Einheit wird vorzugsweise hängend oder stehend in den Reaktormantel eingebracht. Die das Gehäuse füllende reaktionsführende Einheit kann aus mehreren Modulen bestehen, die nebeneinander und/oder untereinander angebracht werden. Die Anzahl n dieser Module kann bis zu 10 betragen.
Der der Erfindung zu Grunde liegende Reaktor ist insbesondere zur Durchführung von exothermen und stark exothermen Reaktionen geeignet, bei der das Eduktgas mit Hilfe eines heterogenen Katalysators zur Reaktion gebracht wird. Beispielsweise ist der Apparat zur exothermen Umsetzung von Methanol mit H2S zu Methylmercaptan geeignet.
Besonders geeignet ist der Apparat ebenfalls zur Umsetzung z. B. einer C3-Komponente bei höherer Temperatur über einem heterogenen Mischoxidkatalysator mit Sauerstoff, Wasserdampf und/oder einem Inertgas oder vorzugsweise einem Abgas aus der Reaktion, aus dem die kondensierbaren Bestandteile abgetrennt sind.
Weiterhin ist der Aufbau des Reaktorgehäuses dadurch kennzeichnet, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Rohrbündelreaktoren der Reaktionsraum, als Druckraum ausgelegt, den Kühlraum mit umschließt. Somit kann es bei einer vorstellbaren Undichtigkeit zwischen beiden Räumen zu keiner Kontamination des Außenbereiches kommen.
Ein Teil des erfinderischen Konzepts ist die rasche Austauschbarkeit der reaktionsführenden Einheit.
Wie in Figur 1 zur Illustration der Erfindung dargestellt, besteht eine Ausführungsform der Erfindung aus einem Reaktorgehäuse, das über eine kraftaufnehmenden Einheit mit der reaktionsführenden Einheit verbunden ist. Die reaktionsführenden Einheiten können hängend oder stehend mit dem Reaktorgehäuse verankert werden, so dass sich je nach Anordnung die obere oder die untere Seite der reaktionsführenden Einheit bei Wärmespannungen dehnen oder zusammenziehen kann. Der Reaktormantel ist mit einer kraftaufnehmenden Einheit ausgestattet in der Weise, dass diese sich an der Durchführung der zu - oder abführenden Leitungen an der Innenseite des Reaktormantels oder an der Außenseite des Reaktormantels befindet. Die kraftaufnehmende Einheit ist in der Lage, die Dehnung oder die Verkürzung der reaktionsführenden Einheit aufzunehmen und dadurch die Spannungen an den Durchführungen des Reaktormantels kompensieren.
Verschiedenartige Ausführungsformen eines solchen Kompensators sind in der Literatur beschrieben. So beschreiben beispielsweise EP 0895806 und EP 1048343 A2 die Kompensation der Spannungen durch das Prinzip der Faltung. Eine andere Ausführungsform besteht darin, dass die zu- oder abführenden Leitungen in gebogener und damit in ausreichend elastischer Form geführt werden (s. Figur 2) .
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Anordung der reaktionsführenden Einheit, die vorteilhafterweise in hängender Position an der Reaktorhaube befestigt ist. Beispielsweise kann durch Anordung einer Hauptflanschverbindung im oberen Bereich des Gehäuses (Reaktorhaube), bevorzugt im oberen Drittel, ein schneller Wechsel der reaktionsführenden Einheiten, insgesamt oder in Teilen, durchgeführt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung von exothermen und stark exothermen Reaktionen geeignet, bei der eine Gasphase über eine Festgutschüttung geleitet und zur Reaktion gebracht wird.
Diese Reaktion kann beispielsweise die Umsetzung von Methanol mit H2S zu Methylmercaptan sein, die heterogen katalysiert bei erhöhtem Druck und Temperatur mit exothermer Wärmebildung abläuft.
Besonders geeignet sind die Apparate/Vorrichtungen zur Umsetzung einer C3 Komponente, wie beispielsweise Propan oder Propen bei erhöhter Temperatur über einem heterogenen Mischoxidkatalysator mit Sauerstoff, Wasserdampf und/oder einem Inertgas oder vorzugsweise einem Abgas aus der Reaktion, aus dem die kondensierbaren Bestandteile abgetrennt sind. Die Temperatur der Reaktion kann dabei bis 600°C betragen. Bevorzugt sind Reaktionstemperaturen von 250 bis 6000C. Das Reaktionsgas sollte in der Regel eine spezifische Gasgeschwindigkeit GHSV von 500 - 5000 h-1 (Gasfluss in [l/h] /Katalysatorvolumen [I]) besitzen und kann bei einem Druck bis 50 bar abs . zur Reaktion gebracht werden. Der Formulierung des Katalysators ist nicht beschränkt. Der Katalysator kann beispielsweise als Extrudat, als Pulver oder geträgerte Aktivmasse eingesetzt werden .
Abkürzungen in den Figuren:
1 Kompensator
2 reaktionsführende Einheit
3 Prozessgaseinlass
4 Prozessgasauslass
5 Kühlmedium, Einlass
6 Kühlmedium, Auslass
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1: Vorrichtung, Gesamtbild
Figur 2: Kompensator, Variante 1

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Durchführung exothermer chemischer Reaktionen, bestehend aus einem Gehäuse und einer durch die Anordnung einer Hauptflanschverbindung im oberen Drittel des Gehäuses einer insgesamt oder in Teilen austauschbaren reaktionsführenden Einheit.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktionsführende Einheit hängend oder stehend in dem Reaktormantel angebracht ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktionsführende Einheit aus mehreren Modulen besteht, deren Anzahl n bis zu 10 beträgt
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Module nebeneinander oder untereinander angebracht werden.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die reaktionsführende Einheit von unten oder von oben in das Gehäuse eingesetzt werden.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum, als Druckraum ausgelegt, den
Kühlraum mit umschließt.
7. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktionsführende Einheit durch eine Anordnung von Rohren, Platten oder einer oder mehreren Horden gebildet wird.
8. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktionsführende Einheit in hängender Position an der Reaktorhaube befestigt ist.
9. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 bei der die reaktionsführende Einheit durch kraftaufnehmende
Stutzendurchführung mit dem Gehäuse verbunden ist.
PCT/EP2006/066471 2005-10-15 2006-09-18 Vorrichtung zur durchführung chemischer reaktionen WO2007045531A1 (de)

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