WO2016055452A1 - Reactor for carrying out gas phase reactions using a heterogeneous catalytic converter - Google Patents

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outer annular
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Carlos TELLAECHE HERRANZ
Roland Bauer
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Basf Se
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Definitions

  • Reactor for carrying out gas phase reactions using a heterogeneous catalyst for carrying out gas phase reactions using a heterogeneous catalyst
  • the invention relates to a reactor for carrying out gas phase reactions using a heterogeneous catalyst, which is preferably formed as a monolith, and a use of the reactor.
  • Ceramic or metallic monoliths as catalyst supports in exhaust gas purification or in chemical production engineering are known, and are present as parallelepiped blocks with a plurality of through channels arranged parallel to one another, with a narrow cross section, in the range of about 0.5 to 4 mm.
  • the channels have a low flow resistance at the same time uniform accessibility of the outer catalyst surface for gaseous reaction media. This is advantageous over random heaps, in which a large pressure loss is created by countless deflections in the flow around the particles and the catalyst surface may not be used evenly. Furthermore, there are dead spaces in beds where the gas lingers longer. As a result, by-products and coking are increasingly generated, which deactivate active catalyst areas by deposition and lead to reduced sales and selectivity.
  • the parallelepiped monoliths are usually installed in such a way that the Monolithkanäle are arranged in the longitudinal direction of the cylindrical or prismatic reactor shell.
  • Such, equipped with monoliths reactor is z.
  • an object of the invention to further improve a reactor with internals containing a heterogeneous catalyst, wherein the internals are in particular monoliths.
  • an improved reactor for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions which is structurally simple manufacturable, has a high compressive strength and easy accessibility of the internals that carry the catalyst, a simple supply and optionally intermediate feed of educts and easy accessibility Measuring sensors and analytics enabled.
  • an efficient preheating of the educts preferably by recovering the heat from the product gas mixture, is to be ensured.
  • the object is achieved by a cylindrical reactor having a vertical longitudinal axis for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions by reacting a gaseous reactant stream to a product gas mixture, with a cylindrical reactor jacket and a concentric inner cylinder, which divides the reactor interior into an outer annular space and a central inner space, wherein outer annulus internals are provided, which contain the heterogeneous catalyst, with a feed line for the gaseous reactant stream in an inlet segment of the outer annulus and with a discharge line for the product gas mixture from an exit segment of the outer annulus, wherein the inlet segment and the exit segment are gas-tightly separated from each other, and wherein a heat exchanger is arranged in the central interior, wherein the gaseous reactant stream is preheated prior to feeding it into the inlet segment.
  • the inventive arrangement of a heat exchanger in the central interior of the reactor it is possible to preheat the reactants with high efficiency, in particular with the product gas mixture, whereby a heat recovery is ensured.
  • the reactor of the present invention is a cylindrical, upright apparatus, preferably with a greater degree of slimming, i. a ratio of height of the reactor to the inner diameter in the range of 0.5 to 3.0, in particular in the range of 0.7 to 1.2.
  • the greater degree of slimming has the advantage of greater compressive strength with the same wall thickness.
  • the reactor has a cylindrical reactor jacket, in which a concentric inner cylinder is inserted, which divides the interior of the reactor into an outer annular space and a central inner space.
  • the outer annulus is the same at both ends, ie, top and bottom, closed by covers.
  • the covers are preferably designed such that they can be easily assembled and disassembled.
  • the reactant stream is fed via a thermally compensated supply line via the inlet segment, preferably in the lower region thereof, to the heat exchanger arranged in the central interior and preheated therein by indirect heat exchange, preferably with the product gas mixture.
  • the heat exchanger may advantageously be designed as a plate heat exchanger.
  • the heat exchanger is designed as a tube bundle heat exchanger. This is advantageously designed so that it does not occupy the entire height of the central interior, but that the tubesheets, in which the heat exchanger tubes are welded in the longitudinal direction of the reactor, are spaced from the respective reactor end, so that in each case a free cylindrical space, a kind of hood , remains.
  • the reactant stream is advantageously fed via a thermally compensated supply line to the lower region of the jacket space of the heat exchanger arranged in the central interior, flows through the same around the tubes of the tube bundle heat exchanger, and leaves the heat exchanger from preheated educt current at the upper end thereof via an opening in the inlet segment.
  • the preheating of the reactant stream in the heat exchanger is preferably carried out by the heat of the product gas mixture, the same from the outlet segment via an opening in the upper region, in the upper hood of the central interior, above the heat exchanger, flows and the tubes flows through it.
  • the product gas mixture leaves the heat exchanger in the central interior via the lower hood and a thermally compensated discharge line via the outlet segment.
  • the inlet segment is free of internals and is a subspace (a chamber), which acts as a pre-distributor, that is, which distributes the gaseous reactant stream over the entire reactor height and thus causes a coarse flow distribution of the same over the reactor height.
  • a further homogenization of the gaseous educt current can preferably be achieved by a rectifier, which is advantageously arranged immediately after the entry segment in the annular space over the entire height thereof.
  • the gaseous reactant stream flows through the complete outer annular space, wherein the gas phase reaction takes place on the heterogeneous catalyst, and the product gas mixture exits the outer annular space via the outlet segment, which closes the outer annular space to the inlet segment and is separated from it gas-tight.
  • the exit segment is, like the entry segment, a subspace (a chamber) in the outer annulus and is a collection device for the product gas mixture over the entire height of the outer annulus.
  • the separation between the inlet segment and the outlet segment can be carried out by means of a partition, which can also be advantageously profiled.
  • the separation between the inlet segment and the outlet segment can be carried out by means of a separation segment, that is to say a separation chamber, with the advantage that feed lines can be laid from outside the reactor directly into the central interior of the reactor via the separation segment, and / or the accessibility of the central interior is made possible from outside the reactor.
  • monolith modules are preferably used as internals containing the heterogeneous catalyst.
  • the channels are preferably formed with a square cross section, in particular with a side length of the square in the range of 0.6 to 3 mm, particularly preferably from 1, 0 to 1, 5 mm.
  • the monoliths are preferably formed from a ceramic material as a carrier material, whereupon a catalytically active layer, preferably by the so-called wash-coating method, is applied.
  • cordierite a ceramic material consisting of magnesium oxide, silica and alumina in the ratio 2: 5: 2.
  • Monolithic ceramic elements are available with cell densities of 25 - 1600 cpsi (cells per square inch, corresponding to a cell size of 5 - 0.6 mm). By using a higher cell density, the geometric surface area increases, so that the catalyst can be used more efficiently. Disadvantages of higher cell densities are a somewhat more difficult manufacturing process, a more difficult washcoat coating and a higher pressure drop across the reactor. Furthermore, as a rule, the webs are also thinner at high cell densities, which reduces the mechanical stability of the monoliths. In cylindrical reactors, the monoliths in the edge area must be adapted by appropriate cutting. However, the pressure loss remains very low for monoliths with high cell density compared to a packed reactor (usually lower by a factor of 10), which is due to the straight Monolithkanäle.
  • a mixture of talc, clay and alumina-providing components and silica may be prepared, the mixture mixed to form a molding compound, the mixture molded, the greenware dried and heated at a temperature of 1200 to 1500 ° C to obtain a ceramic that contains mainly cordierite and has a low coefficient of thermal expansion.
  • the paste usually consists of a mixture of ceramic powders of suitable size, inorganic and / or organic additives, solvent (water), peptizer (acid) to adjust the pH and a permanent binder (colloidal solution or sol).
  • the additives may be a plasticizer or a surfactant to adjust the viscosity of the paste or a temporary binder which may later be burned off. Sometimes glass or carbon fibers are added to increase the mechanical strength of the monolith. The permanent binder should improve the internal strength of the monolith.
  • Cordierite monoliths can be prepared from a batch consisting of talc, kaolin, calcined kaolin and alumina and together form a chemical compound of 45 to 55% by weight of SiO 2, 32 to 40% by weight of Al 2 O 3 and 12 to 15% by weight. - deliver% MgO.
  • Talc is a material consisting mainly of magnesium silicate hydrate, Mg3Si4O10 (OH) 2.
  • the talc may also be mixed with other minerals such as tremolite (CaMg3 (Si03) 4), serpentine (3Mg0.2Si02, 2H20), anthophyllite (Mg7 (OH) 2 (Si401 1) 2), magnesite (MgC03), mica and chlorite.
  • tremolite CaMg3 (Si03) 4
  • serpentine 3Mg0.2Si02, 2H20
  • anthophyllite Mg7 (OH) 2 (Si401 1) 2
  • MgC03 magnesite
  • mica magnesite
  • monoliths of other materials such as SiC, B4C, Si3N4, BN, AIN, Al2O3, ZrO2, mullite, Al titanate, ZrB2, sialon, perovskite, carbon and ⁇ O2 can also be produced.
  • the nature and properties of the materials used to make the moldable mixture are also the additives added, the pH, the water content and the force used in the extrusion.
  • the additives used in the extrusion are, for example, celluloses, CaCl 2, ethylene glycols, diethylene glycols, alcohols, wax, paraffin, acids and heat-resistant inorganic fibers.
  • other solvents can be used, such as ketones, alcohols and ethers.
  • the addition of additives can lead to improved monolithic properties, such as the formation of microcracks, which improves thermal shock resistance, better porosity and absorbency and increased mechanical strength or low thermal expansion.
  • the bare monolithic structure is coated with a catalyst support layer comprising one or more ceramic oxides, or a catalyst layer which already supports the catalytically active metals and the optional further (promoter) elements on the ceramic oxide support material, the coating following a Washcoat coating method is produced.
  • the macroporous structure of ceramic monoliths facilitates the anchoring of the washcoat layer.
  • the manner of washcoat coating can be divided into two methods: one can (partially) fill the macroporous support with the high surface area washcoat material or deposit a washcoat as a layer in the pores of the ceramic carrier. Pore filling leads to the strongest interaction between monolith and washcoat, since most of the washcoat layer is actually fixed in the pores of the carrier and is not bound only to the outer surface of the monolith channels.
  • This type of coating is carried out with a solution (or a sol) of the material to be deposited or with a solution containing very small colloidal particles.
  • the disadvantage of coating by means of pore filling is that the amount of depositable coating is limited, since the pores will eventually be completely filled and the washcoat will become inaccessible.
  • Monoliths offer favorable conditions especially for carrying out the autothermal dehydrogenation of hydrocarbons: in particular, are closer Reactor cross sections and higher flow rates compared to random packed fixed beds feasible, so that an effective, stepped metered addition of oxygen into the hydrocarbon-containing main stream is possible. Due to the fact, compared to randomly packed fixed beds, smaller reactor cross-section, both the distributor and the fixed internals of the mixing zones are mechanically less heavily loaded, ie they hang less because of the lower anchoring length. Moreover, the main flow direction through the reactor is not limited to downflow, as in the case of randomly packed fixed beds.
  • the presently recommended catalysts can normally be regenerated in a simple manner, for example by initially air in first regeneration stages, which is (preferably) diluted with nitrogen and / or water vapor, at an inlet temperature of 300 to 600 ° C. (in extreme cases up to 750 ° C), often from 500 to 600 ° C, passes through the fixed catalyst bed.
  • the catalyst loading with regeneration gas may be, for example, 50 to 10,000 h-1 (based on the total amount of regenerated catalyst), and the oxygen content of the regeneration gas may be 0.5 to 20% by volume.
  • monolith modules are provided, which are formed of monoliths with horizontally arranged substantially along concentric circles channels, which are arranged in each case to two, three or more, along each reactor radius adjacent to a row and wherein two, three or more rows of monoliths are stacked on top of each other, each monolithic module being circumferentially encased in one or more fibrous mats, and over the same in a metal sheath, leaving the end faces free of entrance or exit openings of the channels in which each monolith module (MM) completely fills the outer annulus in the radial direction, wherein in each case two or more monolith modules are combined one above the other to form planar packing units arranged radially in the annulus of the reactor, and one, two or more packing units each fill a segment in the outer annulus of the reactor over its entire height and form a catalytically active zone.
  • monolith modules are provided, which are formed of monoliths with horizontally arranged substantially along concentric circles channels, which are arranged in each case to two, three or more
  • Monoliths are more preferably provided as internals containing the heterogeneous catalyst, which are formed of monoliths having horizontally arranged substantially along concentric circles channels, each of which is arranged to four or more, along a respective reactor radius side by side to a row and wherein four or more rows of monoliths are stacked on top of each other, wherein each monolithic module is encased in one or more fibrous mats and over the same in a metal sheath over the periphery thereof, leaving the end faces containing the entrance or exit openings of the channels, each one Monolith module completely fills the outer annulus in the radial direction, wherein in each case two or more monolith modules are summarized one above the other to planar packing units, which are arranged radially in the outer annulus of the reactor, and wherein one, two or more packing units each fill a segment in the annular space of the reactor over its entire height and form a catalytically active zone.
  • monolith modules are provided, which are formed of monoliths with horizontally arranged substantially along concentric circles channels, each of eight or more, are arranged side by side along each reactor radius and eight or more rows of monoliths are stacked on top of each other, wherein each monolith module is enclosed in the circumference of the same, leaving the end faces, the inlet or outlet openings of the channels in one or more fibrous mats and the same in a metal shell, wherein each monolith module the outer annular space in the radial direction completely fills, wherein in each case two or more monolith modules are summarized one above the other to planar packing units, which are arranged radially in the outer annulus of the reactor, and wherein one, two or more flat Packu ngshimen each fill a segment in the annular space of the reactor over the entire height thereof and form a catalytically active zone.
  • Each monolith module fills the outer annulus in the radial direction of the same completely.
  • the individual monoliths in the respective monolith modules are to be protected from damage by thermal expansion parallel to the flow direction with fibrous mats.
  • each monolithic module over the circumference of the same, leaving free the end faces, the inlet and outlet openings of the channels included, enclosed in one or more fibrous mat and above in a metal shell.
  • the inlet and outlet openings of the channels included, enclosed in one or more fibrous mat and above in a metal shell.
  • the fiber-containing mats used in the present case are sheets with two opposing large surfaces and two end faces arranged perpendicular thereto.
  • the fibrous mats may preferably be flattening, d. H. Inflatable mats, which expand (swell) at high temperatures.
  • Blähmatten are usually made of silicates, z. For example, aluminum silicate, - or Aluminiumoxidsilikatmaschinen a Blähschiefer, z. As vermiculite, and an organic binder. Blähmatten be marketed for example by the company 3M under the trade name INTERAM®. Furthermore, 3M mats are still made of polycrystalline fibers suitable for high temperature applications.
  • the organic binders have a number of disadvantageous properties under the first temperature control up to the operating temperature, in particular they lead to the odor nuisance by evaporation of volatile components, such as for the poisoning of catalysts. Therefore, it is particularly important that the Blähmatten or fiber mats are brought quickly, preferably in a separate process step in the use state.
  • inflatable mats are increasingly having a lower content of organic binders, from previously about 12 to 14 wt .-%, to now about 2 to 5 wt .-%, in particular 3 to 4 wt .-% organic binder, based on the Total weight of the inflatable mat, required.
  • the Blähmatten be crumbly, but less consistent plastically deformable in the consistency and less manageable and difficult to process during cold processing.
  • the lateral scanning of the mats between the monoliths is added to the rectangular scanning.
  • the metal shell is advantageously formed from a material which is mechanically and chemically stable at the high temperature of the reaction temperature, often in the range of about 400 to 700 ° C, and has no catalytic activity for the heterogeneously catalyzed gas phase reaction, that is no reaction initiated with the reaction gas.
  • the metal shell is preferably formed of a material which has a low coefficient of thermal expansion and is heat-resistant.
  • two or more monolith modules are grouped together to form planar packing units, which are arranged radially in the outer annular space of the reactor and extend over the entire height thereof.
  • a packing unit thus has the shape of a flat cuboid whose length corresponds to the height of the outer annular space whose width corresponds to the radial extent of the outer annular space and whose thickness corresponds to the extent of a single monolith in the direction of the channels thereof.
  • One, two or more packing units each fill a segment in the outer annulus of the reactor and form a catalytically active zone.
  • spacers may be provided between each two successive flat packing units.
  • Two or more flat packing units are advantageously each inserted into preferably U-shaped guide rails, and thus can be exchanged in a simple manner by removing the corresponding upper and / or lower cover of the outer annular space.
  • a supply line for an additional gas and a mixing device is provided.
  • the internals containing the heterogeneous catalyst may be formed as screen baskets filled with particulate heterogeneous catalyst.
  • suitable sites, bays for receiving inert material and / or heat exchange devices can be provided in the outer annulus.
  • reactor jacket can be, in a simple manner, at any required location, facilities for measuring sensors and analysis in the outer annulus introduce and monitor the reaction processes precisely, in a simple manner.
  • measuring elements for determining temperatures and / or concentrations which are introduced into the outer annular space from outside the reactor, can be provided between each two packing units.
  • the reactor can be easily isolated from the inside with respect to the central interior and from the outside by its simple form.
  • the outer annulus, both to the reactor shell and to the central interior provided with a thermal insulation.
  • the thermal insulation can be carried out in one or more layers, preferably the thermal insulation which faces the outer annular space, namely both the thermal insulation applied to the inner wall of the reactor jacket and the inner cylinder, is formed from a microporous material.
  • a further layer can preferably be provided, which isolates to the outside in the reactor jacket, as well as a layer which insulates the inner cylinder toward the central inner space.
  • rock wool can be used.
  • the thermal inertia of the cylinder bounding the outer annular space is lower, so that a faster switching between process sections with different temperature levels, as occur, for example, in autothermal gas phase dehydrogenations, for example in butane dehydrogenation, are advantageous.
  • the microporous insulation material may be mounted in cassettes, for example;
  • the individual cassettes are assembled and gas-tight sealed by a thin sheet against the outer annulus, so that the hot reaction gases are not to the two, the outer annulus limiting cylinder, d. H. the reactor jacket and the inner cylinder, can pass.
  • the arranged in the central interior heat exchanger is in a preferred embodiment, a plate heat exchanger.
  • the heat exchanger arranged in the central interior is a tube bundle heat exchanger.
  • the shell-and-tube heat exchanger is arranged in the central interior, preferably in such a way that it does not assume its entire height, but that Above and below the tubesheets, in which the tubes of the tube bundle heat exchanger are welded, each free cylindrical spaces, the type of hoods, remain free.
  • the reactant stream to be heated is introduced into the shell space of the tube bundle heat exchanger and flows through it from bottom to top, in cross-countercurrent to a heat carrier, which is passed through the tubes of the tube bundle heat exchanger from top to bottom.
  • the hot product gas mixture is preferably used as the heat carrier.
  • the cylindrical reactor shell is integrated in a pressure-bearing cylindrical housing, wherein a gap is preferably provided between the cylindrical reactor shell and the pressure-bearing cylindrical housing.
  • the cylindrical pressure-bearing housing can be made with a smaller wall thickness. This is particularly advantageous in a reaction regime in which capacitive influences play a role, for example in autothermal gas phase dehydrogenations, which comprise process steps at different temperature levels.
  • the outer, pressure-bearing cylindrical shell can be designed with lower wall thickness and yet meets the required strength values, their thermal inertia is lower, which leads to corresponding advantages, in particular time saving, in a process management with different temperature levels.
  • the space between the reactor shell and the outer pressure-bearing housing is preferably purged with an inert gas, in particular with nitrogen or water vapor.
  • the invention also relates to the use of the reactor described above for carrying out endothermic, exothermic or adiabatic, heterogeneously catalyzed gas phase reactions.
  • the reactions may be preferably dehydrogenations, in particular autothermal gas phase dehydrogenations, preferably of n-butane, isobutane, n-propane, butene or ethylbenzene, or else oxidations, in particular to acrolein, methacrolein, acrylic acid, methacrylic acid, phthalic anhydride or maleic anhydride or hydrogenations, in particular of maleic anhydride to Tetra hydrofu ran.
  • the inventive arrangement of a heat exchanger in the central interior of the reactor a preheating of the reactants with high efficiency is possible, in particular by indirect heat exchange with the product gas mixture, whereby a heat recovery is ensured.
  • the temperature level generated by the heat of reaction in the outer annulus leads to much higher temperatures in the central interior space than outside the reactor.
  • Figure 2 is a longitudinal section through a further preferred
  • Figure 3A shows a cross section through an advantageous
  • Figure 5 is a cross-section through a further preferred
  • FIG. 5A see above
  • Figures 6A and 6B are longitudinal sectional views through the reactor shown in Figure 5, in the plane B-B (in Figure 6A) and with illustration A-A '(in Figure 6B);
  • Figures 7A and 7B are longitudinal sectional views through a further preferred
  • FIG. 1 shows a section in the plane AA 'by a preferred embodiment of a reactor according to the invention R, with a cylindrical reactor shell RM and a concentric inner cylinder I, the reactor interior in an outer annulus RR and a central interior IR split, wherein in the sectional view in Figure 1 from the outer annulus RR the entry segment ES and the exit segment AS are visible.
  • a gaseous reactant stream is introduced through the inlet segment ES into the jacket space of the heat exchanger W arranged in the central interior IR, flows through it around the tubes, is deflected by baffles, and finally leaves the heat exchanger W at the upper end thereof an opening in the inlet segment ES of the outer annular space RR, to be guided from here to the non-representable in the figure internals containing the heterogeneous catalyst.
  • the product gas mixture leaves the outer annular space RR via the outlet segment AS, via an opening in the upper region thereof, and enters into the hood above the heat exchanger W in the central interior IR, flows into the tubes of the heat exchanger W, heated by indirect heat exchange the educt current and finally leaves the heat exchanger W via the lower hood in the central interior IR and the thermally compensated discharge line 2 through the exit segment AS.
  • the upper and the lower cover of the central inner space IR are advantageously detachable, so that accessibility to the heat exchanger W, for example for maintenance purposes, is ensured.
  • Figure 2 shows a section in the plane A-A 'by another embodiment of the reactor R shown in longitudinal section in Figure 1, wherein the reactor on all sides has a thermal insulation IS to reduce heat loss.
  • FIG. 3 shows a cross section through the preferred embodiment of a reactor R according to the invention shown in FIG. 2, with a cylindrical reactor jacket RM and a concentric inner cylinder I which divide the reactor interior into an outer annular space RR and a central inner space IR, wherein outer annular space RR internals are provided, which are formed in the preferred embodiment shown in the figure as monoliths M, wherein in the radial direction by way of example six monoliths are arranged.
  • section BB As can be seen from the longitudinal section in FIG. 4 (section BB), several rows of monoliths M are stacked one above the other in each case for a monolith module MM and by way of example, 7 monolith modules MM are stacked on top of each other, forming a flat packing unit P in each case.
  • a gaseous reactant stream is first introduced into the shell space of the heat exchanger W in the central interior IR and then flows into the inlet segment ES of the outer annulus RR is equalized via the flow rectifier G and flows through the arranged in the outer annulus RR internals, the contain heterogeneous catalyst, and which are formed in the preferred embodiment shown in Figure as monoliths M, which are summarized to monolith modules MM.
  • the monolith modules MM are inserted into guide rails F, which are arranged on the walls of the reactor jacket RM and of the inner cylinder I facing the outer annular space RR.
  • the reaction gas mixture flows through the complete outer annular space RR, which in the preferred embodiment shown in FIG. 3 comprises three catalytically active zones Z, flows through an opening in the upper region as exit segment AS into the upper hood space, flows through the tubes from top to bottom into the lower hood space Dome space and leaves the same via the discharge line 2 through the exit segment AS, which, in the preferred embodiment shown in the figure by a partition T is separated from the inlet segment.
  • Additional feed gas is fed via three feed lines 3, whereby after each feed line 3 a mixing device EV is arranged in each case.
  • FIG. 3A shows a cross section through a further improved embodiment of the reactor R shown in FIG. 3, wherein additionally a fuel gas feed line BG is provided in the entry segment ES.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section B-B through the preferred embodiment of a reactor R according to the invention shown in cross-section in FIG. 3.
  • the section B-B is laid through monolith modules MM and illustrates their expansion in the longitudinal direction of the reactor, forming a flat packing unit P.
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through a further improved embodiment of the reactor shown in cross-section in FIG. 3, wherein the reactor jacket RM having an insulation IS is in a pressure-bearing cylindrical jacket Housing D is wrapped, which also has an insulation IS, with a gap between the reactor jacket RM and the pressure-carrying cylindrical housing D, which is flushed by an inert gas.
  • FIG. 5A shows a cross section through a further improved embodiment of the reactor R shown in FIG. 5, wherein additionally a fuel gas feed line BG is provided in the inlet segment ES.
  • FIGS. 7A and 7B show sectional views in the plane AA 'for the reactor R shown in cross-section in FIG. 5A, each with different embodiments for the fuel gas supply BG, this being designed as a tube with a multiplicity of openings in FIG FIG. 7B as a dip tube, followed by static mixers.

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Abstract

The invention relates to a cylindrical reactor (R) with a vertical longitudinal axis for carrying out heterogeneous catalyzed gas phase reactions by converting a gaseous educt stream into a product gas mixture, having a cylindrical reactor jacket (RM) and a concentric inner cylinder (I), which divides the inner area of the reactor into an outer annular chamber (RR) and a central inner chamber (IR). In-built heterogeneous catalytic converters are contained in the outer annular chamber (RR), comprising a supply line (1) for the gaseous educt stream in an intake segment (ES) of the outer annular chamber (RR) and a discharge line (2) for the product gas mixture from an outlet segment (AS) of the outer annular chamber (RR). The intake segment (ES) and the outlet segment (AS) are separated from each other is a gas-tight manner and a heat exchanger (W) is arranged in the central inner chamber (I), wherein the gaseous educt stream is prewarmed prior to being guided into the intake segment (ES).

Description

Reaktor zur Durchführung von Gasphasenreaktionen unter Verwendung eines heterogenen Katalysators  Reactor for carrying out gas phase reactions using a heterogeneous catalyst
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung von Gasphasenreaktionen unter Verwendung eines heterogenen Katalysators, der bevorzugt als Monolith ausgebildet ist, sowie eine Verwendung des Reaktors. The invention relates to a reactor for carrying out gas phase reactions using a heterogeneous catalyst, which is preferably formed as a monolith, and a use of the reactor.
Keramische oder metallische Monolithe als Katalysatorträger in der Abgasreinigung oder in der chemischen Produktionstechnik sind bekannt, und liegen als parallelepipedische Blöcke mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, durchgehenden Kanälen, mit engem Querschnitt, im Bereich von etwa 0,5 bis 4 mm, vor. Die Kanäle weisen einen geringen Strömungswiderstand bei gleichzeitig gleichmäßiger Zugänglichkeit der äußeren Katalysatoroberfläche für gasförmige Reaktionsmedien auf. Dies ist vorteilhaft gegenüber regellosen Haufwerken, bei denen durch unzählige Umlenkungen bei der Strömung um die Partikel ein großer Druckverlust entsteht und die Katalysatoroberfläche gegebenenfalls nicht gleichmäßig genutzt wird. Des Weiteren sind bei Schüttungen Toträume vorhanden, worin das Gas länger verweilt. Dadurch entstehen vermehrt Nebenprodukte und Verkokungen, die durch Ablagerung aktive Katalysatorbereiche deaktivieren und zu Umsatz- und Selektivitätseinbußen führen. Ceramic or metallic monoliths as catalyst supports in exhaust gas purification or in chemical production engineering are known, and are present as parallelepiped blocks with a plurality of through channels arranged parallel to one another, with a narrow cross section, in the range of about 0.5 to 4 mm. The channels have a low flow resistance at the same time uniform accessibility of the outer catalyst surface for gaseous reaction media. This is advantageous over random heaps, in which a large pressure loss is created by countless deflections in the flow around the particles and the catalyst surface may not be used evenly. Furthermore, there are dead spaces in beds where the gas lingers longer. As a result, by-products and coking are increasingly generated, which deactivate active catalyst areas by deposition and lead to reduced sales and selectivity.
In Reaktoren bzw. in Abgasreinigungsanlagen, z. B. in Denox-Systemen, werden die paralellepipedischen Monolithe in der Regel dergestalt eingebaut, dass die Monolithkanäle in Längsrichtung des zylindrischen oder auch prismatischen Reaktormantels angeordnet sind. Ein derartiger, mit Monolithen bestückter Reaktor, ist z. B. in der WO2013/017609 beschrieben. In reactors or in emission control systems, for. As in Denox systems, the parallelepiped monoliths are usually installed in such a way that the Monolithkanäle are arranged in the longitudinal direction of the cylindrical or prismatic reactor shell. Such, equipped with monoliths reactor is z. As described in WO2013 / 017609.
Es war demgegenüber Aufgabe der Erfindung, einen Reaktor mit Einbauten, die einen heterogenen Katalysator enthalten, wobei die Einbauten insbesondere Monolithe sind, weiter zu verbessern. Bereit gestellt werden sollen ein verbesserter Reaktor zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen, der konstruktiv einfach fertigbar ist, eine hohe Druckfestigkeit aufweist und der eine einfache Zugänglichkeit der Einbauten, die den Katalysator tragen, eine einfache Zuführung und gegebenenfalls Zwischeneinspeisung von Edukten sowie eine einfach Zugänglichkeit der Messsensorik und Analytik ermöglicht. It was accordingly an object of the invention to further improve a reactor with internals containing a heterogeneous catalyst, wherein the internals are in particular monoliths. To be provided is an improved reactor for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions, which is structurally simple manufacturable, has a high compressive strength and easy accessibility of the internals that carry the catalyst, a simple supply and optionally intermediate feed of educts and easy accessibility Measuring sensors and analytics enabled.
Insbesondere soll eine effiziente Vorerwärmung der Edukte, bevorzugt durch Rückgewinnung der Wärme aus dem Produktgasgemisch, gewährleistet werden. Die Aufgabe wird gelöst durch einen zylindrischen Reaktor mit vertikaler Längsachse zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen durch Umsetzung eines gasförmigen Eduktstromes zu einem Produktgasgemisch, mit einem zylindrischen Reaktormantel und einem konzentrischen Innenzylinder, der den Reaktorinnenraum in einen äußeren Ringraum und einen zentralen Innenraum aufteilt, wobei im äußeren Ringraum Einbauten vorgesehen sind, die den heterogenen Katalysator enthalten, mit einer Zuführleitung für den gasförmigen Eduktstrom in ein Eintrittssegment des äußeren Ringraumes sowie mit einer Abführleitung für das Produktgasgemisch aus einem Austrittssegment des äußeren Ringraumes, wobei das Eintrittssegment und das Austrittssegment gasdicht voneinander getrennt sind, und wobei im zentralen Innenraum ein Wärmetauscher angeordnet ist, worin der gasförmige Eduktstrom vor der Zuführung desselben in das Eintrittssegment vorgewärmt wird. In particular, an efficient preheating of the educts, preferably by recovering the heat from the product gas mixture, is to be ensured. The object is achieved by a cylindrical reactor having a vertical longitudinal axis for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions by reacting a gaseous reactant stream to a product gas mixture, with a cylindrical reactor jacket and a concentric inner cylinder, which divides the reactor interior into an outer annular space and a central inner space, wherein outer annulus internals are provided, which contain the heterogeneous catalyst, with a feed line for the gaseous reactant stream in an inlet segment of the outer annulus and with a discharge line for the product gas mixture from an exit segment of the outer annulus, wherein the inlet segment and the exit segment are gas-tightly separated from each other, and wherein a heat exchanger is arranged in the central interior, wherein the gaseous reactant stream is preheated prior to feeding it into the inlet segment.
Es wurde gefunden, dass durch die obige besondere Ausbildung des Raumes zur Aufnahme des heterogenen Katalysators, und zwar als ein äußerer Ringraum, der von zwei konzentrischen Zylindern, dem zylindrischen Reaktormantel und dem konzentrischen Innenzylinder begrenzt ist, eine ausgezeichnete Druckstabilität des Reaktors gewährleistet ist, so dass auch Reaktionen unter hohem Druck durchgeführt werden können, ohne dass hierzu extrem dicke Reaktorwände erforderlich wären. It has been found that by the above particular formation of the space for receiving the heterogeneous catalyst, as an outer annular space bounded by two concentric cylinders, the cylindrical reactor shell and the concentric inner cylinder, excellent pressure stability of the reactor is ensured that reactions under high pressure can be carried out without the need for extremely thick reactor walls.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Wärmetauschers im zentralen Innenraum des Reaktors ist es möglich, die Edukte mit hoher Effizienz vorzuwärmen, insbesondere mit dem Produktgasgemisch, wodurch eine Wärmerückgewinnung gewährleistet wird. The inventive arrangement of a heat exchanger in the central interior of the reactor, it is possible to preheat the reactants with high efficiency, in particular with the product gas mixture, whereby a heat recovery is ensured.
Der erfindungsgemäße Reaktor ist ein zylindrischer, aufrecht stehender Apparat, bevorzugt mit einem größeren Schlankheitsgrad, d.h. einem Verhältnis von Höhe des Reaktors zum Innendurchmesser im Bereich von 0,5 bis 3,0, insbesondere im Bereich von 0,7 bis 1 ,2. Der größere Schlankheitsgrad hat den Vorteil größerer Druckfestigkeit bei gleicher Wandstärke. The reactor of the present invention is a cylindrical, upright apparatus, preferably with a greater degree of slimming, i. a ratio of height of the reactor to the inner diameter in the range of 0.5 to 3.0, in particular in the range of 0.7 to 1.2. The greater degree of slimming has the advantage of greater compressive strength with the same wall thickness.
Der Reaktor weist einen zylindrischen Reaktormantel auf, in dem ein konzentrischer Innenzylinder eingesteckt ist, der den Innenraum des Reaktors in einen äußeren Ringraum und einen zentralen Innenraum aufteilt. The reactor has a cylindrical reactor jacket, in which a concentric inner cylinder is inserted, which divides the interior of the reactor into an outer annular space and a central inner space.
Bevorzugt ist ein Verhältnis des Innenradius des Reaktormantels zum Außenradius des konzentrischen Innenzylinders im Bereich von 1 ,1 bis 2,0, bevorzugt zwischen 1 ,3 und 1 ,6. Der äußere Ringraum ist an beiden Enden desselben, d. h. oben und unten, durch Abdeckungen geschlossen. Die Abdeckungen sind bevorzugt dergestalt ausgebildet, dass sie in einfacher Weise montier- und demontierbar sind. Preferably, a ratio of the inner radius of the reactor shell to the outer radius of the concentric inner cylinder in the range of 1, 1 to 2.0, preferably between 1, 3 and 1, 6. The outer annulus is the same at both ends, ie, top and bottom, closed by covers. The covers are preferably designed such that they can be easily assembled and disassembled.
Es ist auch möglich, die untere und/oder obere Abdeckung dergestalt auszubilden, dass sie nur in Teilbereichen zu öffnen sind, durch die die Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, in den äußeren Ringraum ein- und ausgebaut werden können. It is also possible to form the lower and / or upper cover in such a way that they can only be opened in partial areas through which the internals containing the heterogeneous catalyst can be installed and removed in the outer annular space.
Der Eduktstrom wird über eine thermisch kompensierte Zuführleitung über das Eintrittssegment, bevorzugt im unteren Bereich desselben, dem im zentralen Innenraum angeordneten Wärmetauscher zugeführt und darin durch indirekten Wärmetausch vorgewärmt, bevorzugt mit dem Produktgasgemisch. The reactant stream is fed via a thermally compensated supply line via the inlet segment, preferably in the lower region thereof, to the heat exchanger arranged in the central interior and preheated therein by indirect heat exchange, preferably with the product gas mixture.
Der Wärmetauscher kann vorteilhaft als Plattenwärmetauscher ausgeführt sein. The heat exchanger may advantageously be designed as a plate heat exchanger.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmetauscher als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet. Dieser ist vorteilhaft so ausgestaltet, dass er nicht die gesamte Höhe des zentralen Innenraumes einnimmt, sondern dass die Rohrböden, in die die Wärmetauscherrohre in Längsrichtung des Reaktors eingeschweißt sind, von dem jeweiligen Reaktorende beabstandet sind, sodass jeweils ein freier zylindrischer Raum, eine Art Haube, verbleibt. In a further preferred embodiment, the heat exchanger is designed as a tube bundle heat exchanger. This is advantageously designed so that it does not occupy the entire height of the central interior, but that the tubesheets, in which the heat exchanger tubes are welded in the longitudinal direction of the reactor, are spaced from the respective reactor end, so that in each case a free cylindrical space, a kind of hood , remains.
Der Eduktstrom wird vorteilhaft über eine thermisch kompensierte Zuführleitung dem unteren Bereich des Mantelraumes des im zentralen Innenraum angeordneten Wärmetauschers zugeführt, durchströmt denselben um die Rohre des Rohrbündelwärmetauschers, und verlässt den Wärmetauscher aus vorgewärmter Eduktstrom am oberen Ende desselben über eine Öffnung in das Eintrittssegment. The reactant stream is advantageously fed via a thermally compensated supply line to the lower region of the jacket space of the heat exchanger arranged in the central interior, flows through the same around the tubes of the tube bundle heat exchanger, and leaves the heat exchanger from preheated educt current at the upper end thereof via an opening in the inlet segment.
Die Vorwärmung des Eduktstromes im Wärmetauscher, der im zentralen Innenraum angeordnet ist, erfolgt bevorzugt durch die Wärme des Produktgasgemisches, das aus dem Austrittssegment über eine Öffnung im oberen Bereich desselben, in die obere Haube des zentralen Innenraumes, oberhalb des Wärmetauschers, einströmt und die Rohre desselben durchströmt. Das Produktgasgemisch verlässt den Wärmetauscher im zentralen Innenraum über die untere Haube und eine thermisch kompensierte Abführleitung über das Austrittssegment. The preheating of the reactant stream in the heat exchanger, which is arranged in the central interior, is preferably carried out by the heat of the product gas mixture, the same from the outlet segment via an opening in the upper region, in the upper hood of the central interior, above the heat exchanger, flows and the tubes flows through it. The product gas mixture leaves the heat exchanger in the central interior via the lower hood and a thermally compensated discharge line via the outlet segment.
Das Eintrittssegment ist frei von Einbauten und ist ein Teilraum (eine Kammer), der als Vorverteiler fungiert, das heißt, der den gasförmigen Eduktstrom über die gesamte Reaktorhöhe verteilt und somit eine grobe Strömungsgleichverteilung desselben über die Reaktorhöhe bewirkt. Eine weitere Vergleichmäßigung des gasförmigen Eduktstromes kann bevorzugt durch einen Gleichrichter erreicht werden, der vorteilhaft unmittelbar im Anschluss an das Eintrittssegment im Ringraum über die gesamte Höhe desselben angeordnet ist. The inlet segment is free of internals and is a subspace (a chamber), which acts as a pre-distributor, that is, which distributes the gaseous reactant stream over the entire reactor height and thus causes a coarse flow distribution of the same over the reactor height. A further homogenization of the gaseous educt current can preferably be achieved by a rectifier, which is advantageously arranged immediately after the entry segment in the annular space over the entire height thereof.
Der gasförmige Eduktstrom durchströmt den kompletten äußeren Ringraum, wobei am heterogenen Katalysator die Gasphasenreaktion stattfindet, und das Produktgasgemisch tritt aus dem äußeren Ringraum über das Austrittssegmentes aus, das den äußeren Ringraum zum Eintrittssegment hin schließt und von diesem gasdicht getrennt ist. Das Austrittssegment ist, wie auch das Eintrittssegment, ein Teilraum (eine Kammer) im äußeren Ringraum und ist eine Sammeleinrichtung für das Produktgasgemisch über die gesamte Höhe des äußeren Ringraumes. The gaseous reactant stream flows through the complete outer annular space, wherein the gas phase reaction takes place on the heterogeneous catalyst, and the product gas mixture exits the outer annular space via the outlet segment, which closes the outer annular space to the inlet segment and is separated from it gas-tight. The exit segment is, like the entry segment, a subspace (a chamber) in the outer annulus and is a collection device for the product gas mixture over the entire height of the outer annulus.
Die Trennung zwischen dem Eintrittssegment und dem Austrittssegment kann mittels einer Trennwand, die auch vorteilhaft profiliert sein kann, ausgeführt sein. The separation between the inlet segment and the outlet segment can be carried out by means of a partition, which can also be advantageously profiled.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Trennung zwischen dem Eintrittssegment und dem Austrittssegment mittels eines Trennsegmentes, das heißt einer Trennkammer ausgeführt sein, mit dem Vorteil, dass über das Trennsegment Zuführleitungen von außerhalb des Reaktors unmittelbar in den zentralen Innenraum des Reaktors gelegt werden können, und/oder das die Zugänglichkeit des zentralen Innenraums von außerhalb des Reaktors ermöglicht wird. In a further preferred embodiment, the separation between the inlet segment and the outlet segment can be carried out by means of a separation segment, that is to say a separation chamber, with the advantage that feed lines can be laid from outside the reactor directly into the central interior of the reactor via the separation segment, and / or the accessibility of the central interior is made possible from outside the reactor.
Im äußeren Ringraum sind Einbauten angeordnet, die den heterogenen Katalysator enthalten. In the outer annulus internals are arranged, containing the heterogeneous catalyst.
Als Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, werden bevorzugt Monolithmodule eingesetzt. As internals containing the heterogeneous catalyst, monolith modules are preferably used.
Als Monolith wird in bekannter Weise ein einstückiger, parallelepipedischer Block mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, durchgehenden Kanälen mit engem Querschnitt, im Bereich von etwa 0,36 bis 9 mm2, verstanden. Die Kanäle sind bevorzugt mit quadratischem Querschnitt ausgebildet, insbesondere mit einer Seitenlänge des Quadrates im Bereich von 0,6 bis 3 mm, besonders bevorzugt von 1 ,0 bis 1 ,5 mm. As a monolith is in a known manner, a one-piece, parallelepipedic block with a plurality of mutually parallel, continuous channels with a narrow cross-section, in the range of about 0.36 to 9 mm 2 , understood. The channels are preferably formed with a square cross section, in particular with a side length of the square in the range of 0.6 to 3 mm, particularly preferably from 1, 0 to 1, 5 mm.
Die Monolithe sind bevorzugt aus einem keramischen Werkstoff als Trägermaterial gebildet, worauf eine katalytisch aktive Schicht, bevorzugt nach dem sogenannten Wash-Coating-Verfahren, aufgebracht ist. The monoliths are preferably formed from a ceramic material as a carrier material, whereupon a catalytically active layer, preferably by the so-called wash-coating method, is applied.
Das gängigste Material für monolithische Strukturen ist Cordierit (ein Keramikmaterial, das aus Magnesiumoxid, Siliciumoxid und Aluminiumoxid im Verhältnis 2:5:2 besteht). Andere Materialien, deren Monolithstrukturen im Handel erhältlich sind, sind Metalle, Mullit (Mischoxid von Siliciumoxid und Aluminiumoxid, Verhältnis 2:3) und Siliciumcarbid. Diese Materialien haben ähnlich wie Cordierit eine niedrige spezifische BET-Oberfläche (BET = Brunauer, Emmet und Teller) (z.B. für Cordierit typischerweise 0,7 m2/g). The most common material for monolithic structures is cordierite (a ceramic material consisting of magnesium oxide, silica and alumina in the ratio 2: 5: 2). Other materials whose monolith structures are commercially available are metals, Mullite (mixed oxide of silica and alumina, ratio 2: 3) and silicon carbide. Similar to cordierite, these materials have a low specific BET surface area (BET = Brunauer, Emmet and Teller) (eg for cordierite typically 0.7 m 2 / g).
Monolithische Keramikelemente sind mit Zelldichten von 25 - 1600 cpsi (Zellen pro Quadratzoll, entspricht einer Zellgröße von 5 - 0,6 mm) erhältlich. Durch Verwendung einer höheren Zelldichte nimmt die geometrische Oberfläche zu, so dass der Katalysator effizienter verwendet werden kann. Nachteile von höheren Zelldichten sind ein et-was schwierigeres Herstellungsverfahren, eine schwierigere Washcoat- Beschichtung und ein höherer Druckverlust über den Reaktor. Des Weiteren sind in der Regel bei großen Zelldichten auch die Stege dünner, was die mechanische Stabilität der Monolithe verringert. In zylindrischen Reaktoren sind die Monolithe im Randbereich durch entsprechenden Zuschnitt anzupassen. Der Druckverlust bleibt jedoch für Monolithen mit hoher Zelldichte im Vergleich zu einem Füllkörperreaktor sehr gering (in der Regel um den Faktor 10 geringer), was auf die geraden Monolithkanäle zurückzuführen ist. Monolithic ceramic elements are available with cell densities of 25 - 1600 cpsi (cells per square inch, corresponding to a cell size of 5 - 0.6 mm). By using a higher cell density, the geometric surface area increases, so that the catalyst can be used more efficiently. Disadvantages of higher cell densities are a somewhat more difficult manufacturing process, a more difficult washcoat coating and a higher pressure drop across the reactor. Furthermore, as a rule, the webs are also thinner at high cell densities, which reduces the mechanical stability of the monoliths. In cylindrical reactors, the monoliths in the edge area must be adapted by appropriate cutting. However, the pressure loss remains very low for monoliths with high cell density compared to a packed reactor (usually lower by a factor of 10), which is due to the straight Monolithkanäle.
Zur Herstellung von monolithischen Keramikelementen kann man eine Mischung von Talk, Ton und einer aluminiumoxidliefernden Komponenten und Siliciumdioxid herstellen, die Mischung zur Bildung einer Formmasse mischen, die Mischung formen, die Rohware trocknen und sie bei einer Temperatur von 1200 bis 1500 °C erhitzen, wobei man eine Keramik erhält, die hauptsächlich Cordierit enthält und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Allgemein gesprochen kann man eine Paste mit entsprechenden rheologischen Eigenschaften und entsprechender rheologischer Zusammensetzung zu einem Monolithträger extrudieren. Die Paste besteht in der Regel aus einer Mischung von Keramikpulvern geeigneter Größe, anorganischen und/oder organischen Additiven, Lösungsmittel (Wasser), Peptisierungsmittel (Säure) zur Einstellung des pH-Werts und einem permanenten Bindemittel (kolloidale Lösung oder Sol). Bei den Additiven kann es sich um einen Weichmacher oder ein Tensid zur Einstellung der Viskosität der Paste oder ein temporäres Bindemittel, das später abgebrannt werden kann, handeln. Zuweilen werden Glas- oder Kohlefasern zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Monolithen zugesetzt. Das permanente Bindemittel sollte die innere Festigkeit des Monolithen verbessern. To prepare monolithic ceramic elements, a mixture of talc, clay and alumina-providing components and silica may be prepared, the mixture mixed to form a molding compound, the mixture molded, the greenware dried and heated at a temperature of 1200 to 1500 ° C to obtain a ceramic that contains mainly cordierite and has a low coefficient of thermal expansion. Generally speaking, one can extrude a paste with corresponding rheological properties and corresponding rheological composition to a monolith carrier. The paste usually consists of a mixture of ceramic powders of suitable size, inorganic and / or organic additives, solvent (water), peptizer (acid) to adjust the pH and a permanent binder (colloidal solution or sol). The additives may be a plasticizer or a surfactant to adjust the viscosity of the paste or a temporary binder which may later be burned off. Sometimes glass or carbon fibers are added to increase the mechanical strength of the monolith. The permanent binder should improve the internal strength of the monolith.
Cordierit-Monolithe können aus einer Charge hergestellt werden, die aus Talk, Kaolin, calciniertem Kaolin und Aluminiumoxid besteht und zusammen eine chemische Verbindung aus 45 bis 55 Gew.-% Si02, 32 bis 40 Gew.-% AI203 und 12 bis 15 Gew.-% MgO liefern. Talk ist ein Material, das hauptsächlich aus Magnesiumsilicathydrat, Mg3Si4O10(OH)2 besteht. Der Talk kann je nach Quelle und Reinheit auch mit anderen Mineralien wie Tremolit (CaMg3(Si03)4), Serpentin (3Mg0.2Si02, 2H20), Anthophyllit (Mg7(OH)2(Si401 1 )2), Magnesit (MgC03), Glimmer und Chlorit vergesellschaftet sein. Cordierite monoliths can be prepared from a batch consisting of talc, kaolin, calcined kaolin and alumina and together form a chemical compound of 45 to 55% by weight of SiO 2, 32 to 40% by weight of Al 2 O 3 and 12 to 15% by weight. - deliver% MgO. Talc is a material consisting mainly of magnesium silicate hydrate, Mg3Si4O10 (OH) 2. Depending on its source and purity, the talc may also be mixed with other minerals such as tremolite (CaMg3 (Si03) 4), serpentine (3Mg0.2Si02, 2H20), anthophyllite (Mg7 (OH) 2 (Si401 1) 2), magnesite (MgC03), mica and chlorite.
Durch Extrusion können auch Monolithe aus anderen Materialien wie SiC, B4C, Si3N4, BN, AIN, AI203, Zr02, Mullit, Al-Titanat, ZrB2, Sialon, Perowskit, Kohlenstoff und ΤΊ02 hergestellt werden. By extrusion, monoliths of other materials such as SiC, B4C, Si3N4, BN, AIN, Al2O3, ZrO2, mullite, Al titanate, ZrB2, sialon, perovskite, carbon and ΤΊO2 can also be produced.
Von Bedeutung hinsichtlich der Eigenschaften der Monolithprodukte sind bei der Extrusion neben der Qualität der Düse, der Art und den Eigenschaften der zur Herstellung der formbaren Mischung verwendeten Materialien auch die zugesetzten Additive, der pH-Wert, der Wassergehalt und die bei der Extrusion verwendete Kraft. Bei den bei der Extrusion angewandten Additiven handelt es sich beispielsweise um Cellulosen, CaCI2, Ethylenglykole, Diethylenglykole, Alkohole, Wachs, Paraffin, Säuren und hitzebeständige anorganische Fasern. Neben Wasser können auch andere Lösungsmittel verwendet werden, wie Ketone, Alkohole und Ether. Der Zusatz von Additiven kann zu verbesserten Eigenschaften der Monolithe, wie der Bildung von Mikrorissen, die die Temperaturwechselbeständigkeit verbessert, besserer Porosität und besserem Absorptionsvermögen und erhöhter mechanischer Festigkeit oder geringer Wärmeausdehnung führen. Of importance in terms of the properties of the monolithic products in extrusion, in addition to the quality of the nozzle, the nature and properties of the materials used to make the moldable mixture, are also the additives added, the pH, the water content and the force used in the extrusion. The additives used in the extrusion are, for example, celluloses, CaCl 2, ethylene glycols, diethylene glycols, alcohols, wax, paraffin, acids and heat-resistant inorganic fibers. In addition to water, other solvents can be used, such as ketones, alcohols and ethers. The addition of additives can lead to improved monolithic properties, such as the formation of microcracks, which improves thermal shock resistance, better porosity and absorbency and increased mechanical strength or low thermal expansion.
Die nackte monolithische Struktur wird mit einer Katalysatorträgerschicht, die ein oder mehrere keramischen Oxide umfasst, oder einer Katalysatorschicht, die die katalytisch wirksamen Metalle und die fakultativen weiteren (Promotor-)Elemente bereits auf dem keramischen Oxidträgermaterial geträgert umfasst, beschichtet, wobei die Beschichtung nach einer Washcoat-Beschichtungsmethode hergestellt wird. The bare monolithic structure is coated with a catalyst support layer comprising one or more ceramic oxides, or a catalyst layer which already supports the catalytically active metals and the optional further (promoter) elements on the ceramic oxide support material, the coating following a Washcoat coating method is produced.
Die makroporöse Struktur von Keramikmonolithen erleichtert die Verankerung der Washcoatschicht. Die Art und Weise der Washcoat-Beschichtung kann in zwei Methoden unterteilt werden: Man kann den makroporösen Träger (teilweise) mit dem eine große Oberfläche aufweisenden Washcoatmaterial füllen oder einen Washcoat als Schicht in den Poren des Keramikträgers abscheiden. Das Porenfüllen führt zur stärksten Wechselwirkung zwischen Monolith und Washcoat, da der größte Teil der Washcoatschicht tatsächlich in den Poren des Trägers fixiert ist und nicht nur an die äußere Oberfläche der Monolithkanäle gebunden ist. Diese Art von Beschichtung wird mit einer Lösung (oder einem Sol) des abzuscheidenden Materials oder mit einer sehr kleine kolloidale Teilchen enthaltenden Lösung durchgeführt. Der Nachteil des Beschichtens mittels Porenfüllung besteht darin, dass die abscheidbare Beschichtungsmenge begrenzt ist, da die Poren irgendwann vollständig gefüllt sein werden und der Washcoat unzugänglich werden wird. The macroporous structure of ceramic monoliths facilitates the anchoring of the washcoat layer. The manner of washcoat coating can be divided into two methods: one can (partially) fill the macroporous support with the high surface area washcoat material or deposit a washcoat as a layer in the pores of the ceramic carrier. Pore filling leads to the strongest interaction between monolith and washcoat, since most of the washcoat layer is actually fixed in the pores of the carrier and is not bound only to the outer surface of the monolith channels. This type of coating is carried out with a solution (or a sol) of the material to be deposited or with a solution containing very small colloidal particles. The disadvantage of coating by means of pore filling is that the amount of depositable coating is limited, since the pores will eventually be completely filled and the washcoat will become inaccessible.
Monolithe bieten günstige Voraussetzungen besonders für die Durchführung der autothermen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen: insbesondere sind engere Reaktorquerschnitte und höhere Strömungsgeschwindigkeiten gegenüber regellos gepackten Festbetten realisierbar, so dass eine effektive, gestufte Zudosierung des Sauerstoffes in den Kohlenwasserstoff enthaltenden Hauptstrom möglich ist. Aufgrund des dadurch, gegenüber regellos gepackten Festbetten, kleineren Reaktorquerschnittes sind sowohl die Verteiler als auch die festen Einbauten der Mischzonen mechanisch weniger stark belastet, d.h. sie hängen wegen der geringeren Verankerungslänge weniger stark durch. Dar-über hinaus ist die Hauptströmungsrichtung durch den Reaktor nicht auf eine Abwärtsströmung begrenzt, wie im Fall von regellos gepackten Festbetten. Monoliths offer favorable conditions especially for carrying out the autothermal dehydrogenation of hydrocarbons: in particular, are closer Reactor cross sections and higher flow rates compared to random packed fixed beds feasible, so that an effective, stepped metered addition of oxygen into the hydrocarbon-containing main stream is possible. Due to the fact, compared to randomly packed fixed beds, smaller reactor cross-section, both the distributor and the fixed internals of the mixing zones are mechanically less heavily loaded, ie they hang less because of the lower anchoring length. Moreover, the main flow direction through the reactor is not limited to downflow, as in the case of randomly packed fixed beds.
Nach längerer Standzeit können die vorliegend empfohlenen Katalysatoren normalerweise auf einfache Art und Weise regeneriert werden, beispielsweise indem man zunächst in ersten Regenerationsstufen Luft, die (vorzugsweise) mit Stick-stoff und/oder Wasserdampf verdünnt ist, bei einer Eintrittstemperatur von 300 bis 600 °C (in Extremfällen auch bis zu 750 °C), häufig von 500 bis 600 °C, durch das Katalysatorfestbett leitet. Die Katalysatorbelastung mit Regenerationsgas kann (bezogen auf die Gesamtmenge an regeneriertem Katalysator) beispielsweise 50 bis 10 000 h-1 betragen, und der Sauerstoffgehalt des Regenerationsgases kann 0,5 bis 20 Vol.-% betragen. After a prolonged service life, the presently recommended catalysts can normally be regenerated in a simple manner, for example by initially air in first regeneration stages, which is (preferably) diluted with nitrogen and / or water vapor, at an inlet temperature of 300 to 600 ° C. (in extreme cases up to 750 ° C), often from 500 to 600 ° C, passes through the fixed catalyst bed. The catalyst loading with regeneration gas may be, for example, 50 to 10,000 h-1 (based on the total amount of regenerated catalyst), and the oxygen content of the regeneration gas may be 0.5 to 20% by volume.
Danach ist es im Allgemeinen empfehlenswert, auch unter ansonsten identischen Bedingungen mit reinem molekularem Wasserstoff oder mit molekularem Wasserstoff, der mit Inertgas (vorzugsweise Wasserdampf und/oder Stickstoff) verdünnt ist, zu regenerieren (der Wasserstoffgehalt sollte > 1 Vol.-% sein). Thereafter, it is generally advisable to regenerate under otherwise identical conditions with pure molecular hydrogen or with molecular hydrogen diluted with inert gas (preferably water vapor and / or nitrogen) (the hydrogen content should be> 1% by volume).
Daneben ist es auch möglich, Monolithe als Vollkatalysatormasse zu extrudieren. In addition, it is also possible to extrude monoliths as Vollkatalysatormasse.
Insbesondere sind als Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, Monolithmodule vorgesehen, die aus Monolithen mit horizontal, im wesentlichen entlang konzentrischer Kreise angeordneten Kanälen gebildet sind, die jeweils zu zwei, drei oder mehreren, entlang jeweils eines Reaktorradius nebeneinander zu einer Reihe angeordnet sind und wobei zwei, drei oder mehrere Reihen von Monolithen übereinander gestapelt sind, wobei jedes Monolithmodul über den Umfang desselben, unter Freilassung der Stirnflächen, die Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen der Kanäle enthalten, in einer oder mehreren faserhaltigen Matten und über denselben in einer Metallhülle eingefasst ist, wobei jedes Monolithmodul (MM) den äußeren Ringraum in radialer Richtung vollständig ausfüllt, wobei jeweils zwei oder mehrere Monolithmodule übereinander zu flächigen Packungseinheiten zusammengefasst sind, die radial im Ringraum des Reaktors angeordnet sind, und wobei ein, zwei oder mehrere Packungseinheiten jeweils ein Segment im äußeren Ringraum des Reaktors über die gesamte Höhe desselben ausfüllen und eine katalytisch aktive Zone bilden. Weiter bevorzugt sind als Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, Monolithmodule vorgesehen, die aus Monolithen mit horizontal, im wesentlichen entlang konzentrischer Kreise angeordneten Kanälen gebildet sind, die jeweils zu vier oder mehreren, entlang jeweils eines Reaktorradius nebeneinander zu einer Reihe angeordnet sind und wobei vier oder mehrere Reihen von Monolithen übereinander gestapelt sind, wobei jedes Monolithmodul über den Umfang desselben, unter Freilassung der Stirnflächen, die Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen der Kanäle enthalten, in einer oder mehreren faserhaltigen Matten und über denselben in einer Metallhülle eingefasst ist, wobei jedes Monolithmodul den äußeren Ringraum in radialer Richtung vollständig ausfüllt, wobei jeweils zwei oder mehrere Monolithmodule übereinander zu flächigen Packungseinheiten zusammengefasst sind, die radial im äußeren Ringraum des Reaktors angeordnet sind, und wobei ein, zwei oder mehrere Packungseinheiten jeweils ein Segment im Ringraum des Reaktors über die gesamte Höhe desselben ausfüllen und eine katalytisch aktive Zone bilden. In particular, as internals containing the heterogeneous catalyst, monolith modules are provided, which are formed of monoliths with horizontally arranged substantially along concentric circles channels, which are arranged in each case to two, three or more, along each reactor radius adjacent to a row and wherein two, three or more rows of monoliths are stacked on top of each other, each monolithic module being circumferentially encased in one or more fibrous mats, and over the same in a metal sheath, leaving the end faces free of entrance or exit openings of the channels in which each monolith module (MM) completely fills the outer annulus in the radial direction, wherein in each case two or more monolith modules are combined one above the other to form planar packing units arranged radially in the annulus of the reactor, and one, two or more packing units each fill a segment in the outer annulus of the reactor over its entire height and form a catalytically active zone. Monoliths are more preferably provided as internals containing the heterogeneous catalyst, which are formed of monoliths having horizontally arranged substantially along concentric circles channels, each of which is arranged to four or more, along a respective reactor radius side by side to a row and wherein four or more rows of monoliths are stacked on top of each other, wherein each monolithic module is encased in one or more fibrous mats and over the same in a metal sheath over the periphery thereof, leaving the end faces containing the entrance or exit openings of the channels, each one Monolith module completely fills the outer annulus in the radial direction, wherein in each case two or more monolith modules are summarized one above the other to planar packing units, which are arranged radially in the outer annulus of the reactor, and wherein one, two or more packing units each fill a segment in the annular space of the reactor over its entire height and form a catalytically active zone.
In einer weiteren Ausführungsform sind als Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, Monolithmodule vorgesehen, die aus Monolithen mit horizontal, im wesentlichen entlang konzentrischer Kreise angeordneten Kanälen gebildet sind, die jeweils zu acht oder mehreren, entlang jeweils eines Reaktorradius nebeneinander angeordnet sind und wobei acht oder mehrere Reihen von Monolithen übereinander gestapelt sind, wobei jedes Monolithmodul über den Umfang desselben, unter Freilassung der Stirnflächen, die Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen der Kanäle enthalten, in einer oder mehreren faserhaltigen Matten und über denselben in einer Metallhülle eingefasst ist, wobei jedes Monolithmodul den äußeren Ringraum in radialer Richtung vollständig ausfüllt, wobei jeweils zwei oder mehrere Monolithmodule übereinander zu flächigen Packungseinheiten zusammengefasst sind, die radial im äußeren Ringraum des Reaktors angeordnet sind, und wobei ein, zwei oder mehrere flächige Packungseinheiten jeweils ein Segment im Ringraum des Reaktors über die gesamte Höhe desselben ausfüllen und eine katalytisch aktive Zone bilden. In a further embodiment, as internals containing the heterogeneous catalyst, monolith modules are provided, which are formed of monoliths with horizontally arranged substantially along concentric circles channels, each of eight or more, are arranged side by side along each reactor radius and eight or more rows of monoliths are stacked on top of each other, wherein each monolith module is enclosed in the circumference of the same, leaving the end faces, the inlet or outlet openings of the channels in one or more fibrous mats and the same in a metal shell, wherein each monolith module the outer annular space in the radial direction completely fills, wherein in each case two or more monolith modules are summarized one above the other to planar packing units, which are arranged radially in the outer annulus of the reactor, and wherein one, two or more flat Packu ngseinheiten each fill a segment in the annular space of the reactor over the entire height thereof and form a catalytically active zone.
Jedes Monolithmodul füllt den äußeren Ringraum in radialer Richtung desselben vollständig aus. Each monolith module fills the outer annulus in the radial direction of the same completely.
Je nach Aufgabenstellung sind die einzelnen Monolithe in den jeweiligen Monolithmodulen gegeneinander parallel zur Strömungsrichtung mit faserhaltigen Matten gegen Beschädigung durch thermische Ausdehnung zu schützen. Depending on the task, the individual monoliths in the respective monolith modules are to be protected from damage by thermal expansion parallel to the flow direction with fibrous mats.
Vorteilhaft ist jedes Monolithmodul, über den Umfang desselben, unter Freilassung der Stirnflächen, die Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen der Kanäle enthalten, in einer oder mehreren faserhaltigen Matte und darüber in einer Metallhülle eingefasst. Um den entsprechenden thermischen Ausdehnungen gerecht zu werden, müssen bei größeren Modulen auch gegebenenfalls mehrere Lagen von faserhaltigen Matten für eine Schicht übereinander gelegt werden. Advantageously, each monolithic module, over the circumference of the same, leaving free the end faces, the inlet and outlet openings of the channels included, enclosed in one or more fibrous mat and above in a metal shell. In order to meet the corresponding thermal expansions, must with larger Modules also be laid, if necessary, several layers of fibrous mats for a layer on top of each other.
Die vorliegend eingesetzten faserhaltigen Matten sind Flächengebilde mit zwei einander gegenüberliegenden Großflächen und zwei senkrecht hierzu angeordneten Stirnflächen. The fiber-containing mats used in the present case are sheets with two opposing large surfaces and two end faces arranged perpendicular thereto.
Die faserhaltigen Matten können bevorzugt blähend, d. h. Blähmatten, sein, die sich bei hohen Temperaturen ausdehnen(aufquellen). Blähmatten sind in der Regel aus Silikaten, z. B. Aluminiumsilikat,- oder Aluminiumoxidsilikatfasern einem Blähschiefer, z. B. Vermiculit, und einem organischen Bindemittel zusammengesetzt. Blähmatten werden beispielsweise von der Firma 3M unter der Markenbezeichnung INTERAM® vertrieben. Des Weiteren gibt es von der Firma 3M noch Matten aus polykristallinen Fasern, die für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind. The fibrous mats may preferably be flattening, d. H. Inflatable mats, which expand (swell) at high temperatures. Blähmatten are usually made of silicates, z. For example, aluminum silicate, - or Aluminiumoxidsilikatfasern a Blähschiefer, z. As vermiculite, and an organic binder. Blähmatten be marketed for example by the company 3M under the trade name INTERAM®. Furthermore, 3M mats are still made of polycrystalline fibers suitable for high temperature applications.
Die organischen Bindemittel haben jedoch unter der erstmaligen Temperierung bis zur Betriebstemperatur eine Reihe von nachteiligen Eigenschaften, insbesondere führen sie zur Geruchsbelästigung durch Ausdampfen flüchtiger Anteile, wie zur Vergiftung von Katalysatoren. Deshalb ist es besonders wichtig, dass die Blähmatten bzw. Fasermatten zügig, bevorzugt in einem eigenen Prozessschritt in den Einsatzzustand gebracht werden. Insbesondere werden Blähmatten zunehmend mit einem niedrigeren Gehalt an organischen Bindemitteln, von früher ca. 12 bis 14 Gew.-%, auf nunmehr ca. 2 bis 5 Gew.-%, insbesondere 3 bis 4 Gew.-% organisches Bindemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Blähmatte, gefordert. Durch den niedrigeren Gehalt an organischem Bindemittel werden die Blähmatten krümeliger, jedoch in der Konsistenz weniger gut plastisch verformbar und schlechter handhabbar und schwerer verarbeitbar während der Kaltverarbeitung. Desweitern kommt beim Rechteckigcanning noch das seitliche Verschieben der Matten zwischen den Monolithen dazu. However, the organic binders have a number of disadvantageous properties under the first temperature control up to the operating temperature, in particular they lead to the odor nuisance by evaporation of volatile components, such as for the poisoning of catalysts. Therefore, it is particularly important that the Blähmatten or fiber mats are brought quickly, preferably in a separate process step in the use state. In particular, inflatable mats are increasingly having a lower content of organic binders, from previously about 12 to 14 wt .-%, to now about 2 to 5 wt .-%, in particular 3 to 4 wt .-% organic binder, based on the Total weight of the inflatable mat, required. Due to the lower content of organic binder, the Blähmatten be crumbly, but less consistent plastically deformable in the consistency and less manageable and difficult to process during cold processing. In addition, the lateral scanning of the mats between the monoliths is added to the rectangular scanning.
Indem die Blähmatten allseitig mit einer Kunststofffolie umhüllt werden und der Innenraum vakuumiert wird, werden diese Nachteile jedoch behoben und auch Matten mit den geforderten niedrigeren Bindemittelgehalten und sonst krümeliger Konsistenz können in einfacher Weise gehandhabt und in die Hohlräume, unter Ausfüllung derselben, eingebracht werden. By the Blähmatten are enveloped on all sides with a plastic film and the interior is vacuumed, these disadvantages are resolved and also mats with the required lower binder contents and otherwise crumbly consistency can be handled in a simple manner and in the cavities, filling the same, introduced.
Die Metallhülle ist vorteilhaft aus einem Werkstoff gebildet, der bei der hohen Belastung durch die Reaktionstemperatur, häufig im Bereich von etwa 400 bis 700 °C, mechanisch und chemisch stabil ist, und keine katalytische Aktivität für die heterogen katalysierte Gasphasenreaktion aufweist, das heißt keine Reaktion mit dem Reaktionsgas initiiert. Die Metallhülle ist bevorzugt aus einem Werkstoff gebildet, der einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt und hitzebeständig ist. The metal shell is advantageously formed from a material which is mechanically and chemically stable at the high temperature of the reaction temperature, often in the range of about 400 to 700 ° C, and has no catalytic activity for the heterogeneously catalyzed gas phase reaction, that is no reaction initiated with the reaction gas. The metal shell is preferably formed of a material which has a low coefficient of thermal expansion and is heat-resistant.
Bei selektiven Gasphasenreaktionen an Monolithkatalysatoren, die in Metallgehäusen eingefasst sind bieten sich, jedoch bevorzugt Werkstoffe aus Edelstahl mit den Werksstoffnummern 1 .4541 , 1 .4919 oder 1.4841 an. Um dem Monolithmodul einen besseren Zusammenhalt zu geben, werden die jeweils gegenüberliegenden Seiten mit dünnen Stäben oder dergleichen versteift. For selective gas-phase reactions on monolith catalysts encased in metal housings, however, it is preferable to use materials made of stainless steel with the material numbers 1 .4541, 1 .4919 or 1.4841. To give the monolith module a better cohesion, the respective opposite sides are stiffened with thin rods or the like.
Bevorzugt sind zwei oder mehrere Monolithmodule übereinander zu flächigen Packungseinheiten zusammengefasst, die radial im äußeren Ringraum des Reaktors angeordnet sind und sich über die gesamte Höhe desselben erstrecken. Eine Packungseinheit hat somit die Form eines flachen Quaders, dessen Länge der Höhe des äußeren Ringraumes, dessen Breite der radialen Ausdehnung des äußeren Ringraumes und dessen Dicke der Ausdehnung eines einzelnen Monolithen in Richtung der Kanäle desselben, entspricht. Preferably, two or more monolith modules are grouped together to form planar packing units, which are arranged radially in the outer annular space of the reactor and extend over the entire height thereof. A packing unit thus has the shape of a flat cuboid whose length corresponds to the height of the outer annular space whose width corresponds to the radial extent of the outer annular space and whose thickness corresponds to the extent of a single monolith in the direction of the channels thereof.
Eine, zwei oder mehrere Packungseinheiten füllen jeweils ein Segment im äußeren Ringraum des Reaktors aus und bilden eine katalytisch aktive Zone. One, two or more packing units each fill a segment in the outer annulus of the reactor and form a catalytically active zone.
Vorteilhaft können zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden flächigen Packungseinheiten bevorzugt Abstandshalter vorgesehen sein. Advantageously, spacers may be provided between each two successive flat packing units.
Zwei oder mehreren flächigen Packungseinheiten sind vorteilhaft jeweils in bevorzugt U-förmige Führungsschienen eingeschoben, und können somit in einfacher Weise durch Abnahme der entsprechenden oberen und/oder unteren Abdeckung des äußeren Ringraumes ausgetauscht werden. Two or more flat packing units are advantageously each inserted into preferably U-shaped guide rails, and thus can be exchanged in a simple manner by removing the corresponding upper and / or lower cover of the outer annular space.
Bevorzugt ist in Strömungsrichtung des Reaktionsgemisches vor jeder katalytisch aktiven Zone jeweils eine Zuführleitung für ein Zusatzgas sowie eine Einmischvorrichtung, vorgesehen. Preferably, in the flow direction of the reaction mixture before each catalytically active zone in each case a supply line for an additional gas and a mixing device is provided.
Alternativ können die Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, als Siebkörbe ausgebildet sein, die mit partikelförmigem heterogenem Katalysator gefüllt sind. Alternatively, the internals containing the heterogeneous catalyst may be formed as screen baskets filled with particulate heterogeneous catalyst.
In den äußeren Ringraum können zusätzlich zu den Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, an, je nach Reaktionsverlauf, geeigneten Stellen, Einschübe zur Aufnahme von Inertmaterial und/oder Wärmetauscheinrichtungen vorgesehen sein. In addition to the internals containing the heterogeneous catalyst, depending on the course of the reaction, suitable sites, bays for receiving inert material and / or heat exchange devices can be provided in the outer annulus.
Durch den Reaktormantel lassen sich, in einfacher Weise, an jeder erforderlichen Stelle, Einrichtungen für die Messsensorik und -analytik in den äußeren Ringraum einführen bzw. installieren und die Reaktionsvorgänge präzise, in einfacher Weise überwachen. Through the reactor jacket can be, in a simple manner, at any required location, facilities for measuring sensors and analysis in the outer annulus introduce and monitor the reaction processes precisely, in a simple manner.
Insbesondere können zwischen jeweils zwei Packungseinheiten Messelemente zur Bestimmung von Temperaturen und/oder Konzentrationen vorgesehen sein, die über den zylindrischen Reaktormantel von außerhalb des Reaktors in den äußeren Ringraum eingeführt sind. In particular, measuring elements for determining temperatures and / or concentrations, which are introduced into the outer annular space from outside the reactor, can be provided between each two packing units.
Der Reaktor lässt sich durch seine einfache Form gut von innen gegenüber dem zentralen Innenraum und von außen isolieren. The reactor can be easily isolated from the inside with respect to the central interior and from the outside by its simple form.
Bevorzugt ist der äußere Ringraum, sowohl zum Reaktormantel als auch zum zentralen Innenraum hin, mit einer thermischen Isolierung versehen. Die thermische Isolierung kann ein - oder mehrlagig ausgeführt werden, bevorzugt ist die thermische Isolierung, die dem äußeren Ringraum zugewandt ist, und zwar sowohl die an der Innenwand des Reaktormantels als auch die am Innenzylinder anliegende thermische Isolierung, aus einem mikroporösen Material gebildet. Darüber kann bevorzugt eine weitere Lage vorgesehen sein, die im Reaktormantel nach außen isoliert, sowie eine Lage, die den Innenzylinder zum zentralen Innenraum hin isoliert. Hierfür kann zum Beispiel Steinwolle eingesetzt werden. Durch die thermische Isolierung des äußeren Ringraumes wird die Wandtemperatur beider Zylinder, die denselben begrenzen, d.h. sowohl des Reaktormantels als auch des Innenzylinders, herabgesetzt, so dass hierfür geringere Wandstärken bei gleicher Festigkeit erforderlich sind. Insbesondere ist auch durch die geringere Wandstärke die thermische Trägheit der den äußeren Ringraum begrenzenden Zylinder geringer, so dass ein schnelleres Umschalten zwischen Verfahrensabschnitten mit unterschiedlichem Temperaturniveau, wie sie zum Beispiel bei autothermen Gasphasendehydrierungen, beispielsweise bei der Butandehydrierung, auftreten, vorteilhaft sind. Preferably, the outer annulus, both to the reactor shell and to the central interior, provided with a thermal insulation. The thermal insulation can be carried out in one or more layers, preferably the thermal insulation which faces the outer annular space, namely both the thermal insulation applied to the inner wall of the reactor jacket and the inner cylinder, is formed from a microporous material. In addition, a further layer can preferably be provided, which isolates to the outside in the reactor jacket, as well as a layer which insulates the inner cylinder toward the central inner space. For this purpose, for example, rock wool can be used. Due to the thermal insulation of the outer annulus, the wall temperature of both cylinders defining the same, i.e., the both the reactor shell and the inner cylinder, reduced, so that this smaller wall thicknesses are required for the same strength. In particular, due to the smaller wall thickness, the thermal inertia of the cylinder bounding the outer annular space is lower, so that a faster switching between process sections with different temperature levels, as occur, for example, in autothermal gas phase dehydrogenations, for example in butane dehydrogenation, are advantageous.
Das mikroporöse Isolationsmaterial kann beispielsweise in Kassetten angebracht sein; die einzelnen Kassetten werden zusammengebaut und mittels eines dünnen Blechs gasdicht gegen den äußeren Ringraum abgedichtet, so dass die heißen Reaktionsgase nicht an die beiden, den äußeren Ringraum begrenzenden Zylinder, d. h. den Reaktormantel und den Innenzylinder, gelangen können. The microporous insulation material may be mounted in cassettes, for example; The individual cassettes are assembled and gas-tight sealed by a thin sheet against the outer annulus, so that the hot reaction gases are not to the two, the outer annulus limiting cylinder, d. H. the reactor jacket and the inner cylinder, can pass.
Der im zentralen Innenraum angeordnete Wärmetauscher ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Plattenwärmetauscher. The arranged in the central interior heat exchanger is in a preferred embodiment, a plate heat exchanger.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist der im zentralen Innenraum angeordnete Wärmetauscher ein Rohrbündelwärmetauscher. Der Rohrbündelwärmetauscher ist im zentralen Innenraum, bevorzugt in der Weise angeordnet, dass er nicht die gesamte Höhe desselben einnimmt, sondern dass, oberhalb und unterhalb der Rohrböden, in die die Rohre des Rohrbündelwärmetauschers eingeschweißt sind, jeweils freie zylindrische Räume, der Art von Hauben, freibleiben. In a further preferred embodiment, the heat exchanger arranged in the central interior is a tube bundle heat exchanger. The shell-and-tube heat exchanger is arranged in the central interior, preferably in such a way that it does not assume its entire height, but that Above and below the tubesheets, in which the tubes of the tube bundle heat exchanger are welded, each free cylindrical spaces, the type of hoods, remain free.
Bevorzugt wird der aufzuheizende Eduktstrom in den Mantelraum des Rohrbündelwärmetauschers eingeleitet und durchströmt diesen von unten nach oben, im Kreuzgegenstrom zu einem Wärmeträger, der durch die Rohre des Rohrbündelwärmetauschers von oben nach unten geleitet wird. Bevorzugt wird als Wärmeträger das heiße Produktgasgemisch eingesetzt. Preferably, the reactant stream to be heated is introduced into the shell space of the tube bundle heat exchanger and flows through it from bottom to top, in cross-countercurrent to a heat carrier, which is passed through the tubes of the tube bundle heat exchanger from top to bottom. The hot product gas mixture is preferably used as the heat carrier.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist der zylindrische Reaktormantel in ein drucktragendes zylindrisches Gehäuse integriert, wobei bevorzugt zwischen dem zylindrischen Reaktormantel und dem drucktragenden zylindrischen Gehäuse ein Zwischenraum vorgesehen ist. Dem somit ein äußeres Gehäuse, das den eigentlichen Reaktor umschließt, kann das zylindrische drucktragende Gehäuse mit geringerer Wandstärke ausgeführt werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer Reaktionsführung, bei der kapazitive Einflüsse eine Rolle spielen, beispielsweise bei autothermen Gasphasendehydrierungen, die Prozessschritte auf unterschiedlichen Temperaturniveaus umfassen. Indem die äußere, drucktragende zylindrische Hülle mit geringere Wandstärke ausgelegt werden kann und dennoch den erforderlichen Festigkeitswerten entspricht, ist deren thermische Trägheit niedriger, was zu entsprechenden Vorteilen, insbesondere Zeitgewinn, bei einer Prozessführung mit unterschiedlichen Temperaturniveaus führt. In a further preferred embodiment, the cylindrical reactor shell is integrated in a pressure-bearing cylindrical housing, wherein a gap is preferably provided between the cylindrical reactor shell and the pressure-bearing cylindrical housing. The thus an outer housing, which encloses the actual reactor, the cylindrical pressure-bearing housing can be made with a smaller wall thickness. This is particularly advantageous in a reaction regime in which capacitive influences play a role, for example in autothermal gas phase dehydrogenations, which comprise process steps at different temperature levels. By the outer, pressure-bearing cylindrical shell can be designed with lower wall thickness and yet meets the required strength values, their thermal inertia is lower, which leads to corresponding advantages, in particular time saving, in a process management with different temperature levels.
Der Zwischenraum zwischen dem Reaktormantel und dem äußeren drucktragenden Gehäuse ist bevorzugt mit einem Inertgas gespült, insbesondere mit Stickstoff oder Wasserdampf. The space between the reactor shell and the outer pressure-bearing housing is preferably purged with an inert gas, in particular with nitrogen or water vapor.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des vorstehend beschriebenen Reaktors zur Durchführung von endothermen, exothermen oder adiabaten, heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen. Die Reaktionen können bevorzugt Dehydrierungen sein, insbesondere autotherme Gasphasendehydrierungen, bevorzugt von n-Butan, Isobutan, n-Propan, Buten oder Ethylbenzol, oder auch Oxidationen, insbesondere zu Acrolein, Methacrolein, Acrylsäure, Methacrylsäure, Phthalsäureanhydrid oder Maleinsäureanhydrid oder Hydrierungen, insbesondere von Maleinsäureanhydrid zu Tetra hydrofu ran. The invention also relates to the use of the reactor described above for carrying out endothermic, exothermic or adiabatic, heterogeneously catalyzed gas phase reactions. The reactions may be preferably dehydrogenations, in particular autothermal gas phase dehydrogenations, preferably of n-butane, isobutane, n-propane, butene or ethylbenzene, or else oxidations, in particular to acrolein, methacrolein, acrylic acid, methacrylic acid, phthalic anhydride or maleic anhydride or hydrogenations, in particular of maleic anhydride to Tetra hydrofu ran.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Wärmetauschers im zentralen Innenraum des Reaktors ist eine Vorwärmung der Edukte mit hoher Effizienz möglich, insbesondere durch indirekten Wärmetausch mit dem Produktgasgemisch, wodurch eine Wärmerückgewinnung gewährleistet wird. Das durch die Reaktionswärme im äußeren Ringraum erzeugte Temperaturniveau führt zu wesentlich höheren Temperaturen im zentralen Innenraum gegenüber der Umgebung außerhalb des Reaktors. Indem der Wärmetauscher erfindungsgemäß im zentralen Innenraum angeordnet wird, sind die Wärmeverluste bei der Wärmeübertragung vom Produktgasgemisch auf den Eduktstrom deutlich geringer gegenüber einer konventionellen Anordnung. Darüber hinaus entfallen auch Wärmeverluste über Verbindungleitungen, die bei einem außenliegenden Wärmetauscher erforderlich wären. The inventive arrangement of a heat exchanger in the central interior of the reactor, a preheating of the reactants with high efficiency is possible, in particular by indirect heat exchange with the product gas mixture, whereby a heat recovery is ensured. The temperature level generated by the heat of reaction in the outer annulus leads to much higher temperatures in the central interior space than outside the reactor. By arranging the heat exchanger in the central interior according to the invention, the heat losses during the heat transfer from the product gas mixture to the educt current are significantly lower compared to a conventional arrangement. In addition, heat losses via connecting lines, which would be required for an external heat exchanger.
Zu den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche oder entsprechende Bauteile. The same reference numerals designate identical or corresponding components to the figures.
Es zeigen im Einzelnen: They show in detail:
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte 1 shows a longitudinal section through a preferred
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors R;  Embodiment of a reactor R according to the invention;
Figur 2 einen Längsschnitt durch eine weiter bevorzugte Figure 2 is a longitudinal section through a further preferred
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors R;  Embodiment of a reactor R according to the invention;
Figur 3 einen Querschnitt durch eine weitere bevorzugte 3 shows a cross section through a further preferred
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors R, mit Längsschnittdarstellung in der Ebene B-B in Figur 4;  Embodiment of a reactor R according to the invention, with a longitudinal sectional view in the plane B-B in Figure 4;
Figur 3A einen Querschnitt durch eine vorteilhafte Figure 3A shows a cross section through an advantageous
Ausführungsform des in Figur 3 dargestellten Reaktors R;  Embodiment of the reactor R shown in Figure 3;
Figur 4 siehe oben; FIG. 4, see above;
Figur 5 einen Querschnitt durch eine weiter bevorzugte Figure 5 is a cross-section through a further preferred
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors R, mit einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung in Figur 5A;  Embodiment of a reactor R according to the invention, with a further advantageous embodiment in Figure 5A;
Figur 5A siehe oben; FIG. 5A, see above;
Figuren 6A und 6B Längsschnittdarstellungen durch den in Figur 5 dargestellten Reaktor, in der Ebene B-B (in Figur 6A) bzw. mit Darstellung A-A' (in Figur 6B); Figures 6A and 6B are longitudinal sectional views through the reactor shown in Figure 5, in the plane B-B (in Figure 6A) and with illustration A-A '(in Figure 6B);
Figuren 7A und 7B Längsschnittdarstellungen durch eine weiter bevorzugte Figures 7A and 7B are longitudinal sectional views through a further preferred
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors R, mit Zuführung von Brenngas. Figur 1 zeigt einen Schnitt in der Ebene A-A' durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors R, mit einem zylindrischen Reaktormantel RM und einem konzentrischen Innenzylinder I, die den Reaktorinnenraum in einen äußeren Ringraum RR und einen zentralen Innenraum IR aufteilen, wobei in der Schnittdarstellung in Figur 1 vom äußeren Ringraum RR das Eintrittssegment ES und das Austrittssegment AS ersichtlich sind. Embodiment of a reactor R according to the invention, with supply of fuel gas. Figure 1 shows a section in the plane AA 'by a preferred embodiment of a reactor according to the invention R, with a cylindrical reactor shell RM and a concentric inner cylinder I, the reactor interior in an outer annulus RR and a central interior IR split, wherein in the sectional view in Figure 1 from the outer annulus RR the entry segment ES and the exit segment AS are visible.
Über eine thermisch kompensierte Zuführleitung 1 wird ein gasförmiger Eduktstrom durch das Eintrittssegment ES in den Mantelraum des im zentralen Innenraum IR angeordneten Wärmetauschers W eingeleitet, durchströmt diesen um die Rohre, wird dabei von Umlenkblechen umgelenkt, und verlässt schließlich den Wärmetauscher W am oberen Ende desselben über eine Öffnung in das Eintrittssegment ES des äußeren Ringraumes RR, um von hier aus auf die in der Figur nicht darstellbaren Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, geleitet zu werden. Via a thermally compensated supply line 1, a gaseous reactant stream is introduced through the inlet segment ES into the jacket space of the heat exchanger W arranged in the central interior IR, flows through it around the tubes, is deflected by baffles, and finally leaves the heat exchanger W at the upper end thereof an opening in the inlet segment ES of the outer annular space RR, to be guided from here to the non-representable in the figure internals containing the heterogeneous catalyst.
Das Produktgasgemisch verlässt den äußeren Ringraum RR über das Austrittssegment AS, über eine Öffnung im oberen Bereich desselben, und tritt dabei in die Haube oberhalb des Wärmetauschers W in den zentralen Innenraum IR ein, strömt in die Rohre des Wärmetauschers W ein, erwärmt durch indirekten Wärmetausch den Eduktstrom und verlässt schließlich den Wärmetauscher W über die untere Haube im zentralen Innenraum IR und die thermisch kompensierte Abführleitung 2 durch das Austrittssegment AS. The product gas mixture leaves the outer annular space RR via the outlet segment AS, via an opening in the upper region thereof, and enters into the hood above the heat exchanger W in the central interior IR, flows into the tubes of the heat exchanger W, heated by indirect heat exchange the educt current and finally leaves the heat exchanger W via the lower hood in the central interior IR and the thermally compensated discharge line 2 through the exit segment AS.
Wie aus der Figur zu erkennen ist, ist die obere und die untere Abdeckung des zentralen Innenraumes IR vorteilhaft lösbar ausgebildet, sodass eine Zugänglichkeit zum Wärmetauscher W, zum Beispiel zu Wartungszwecken, gewährleistet ist. As can be seen from the figure, the upper and the lower cover of the central inner space IR are advantageously detachable, so that accessibility to the heat exchanger W, for example for maintenance purposes, is ensured.
Figur 2 zeigt einen Schnitt in der Ebene A-A' durch eine weitere Ausführungsform des in Figur 1 im Längsschnitt dargestellten Reaktor R, wobei der Reaktor allseitig eine thermische Isolierung IS aufweist, um Wärmeverluste zu reduzieren. Figure 2 shows a section in the plane A-A 'by another embodiment of the reactor R shown in longitudinal section in Figure 1, wherein the reactor on all sides has a thermal insulation IS to reduce heat loss.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch die in Figur 2 im Schnitt A-A' dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors R, mit einem zylindrischen Reaktormantel RM und einem konzentrischen Innenzylinder I, die den Reaktorinnenraum in einen äußeren Ringraum RR und einen zentralen Innenraum IR aufteilen, wobei im äußeren Ringraum RR Einbauten vorgesehen sind, die, in der in der Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsform als Monolithe M ausgebildet sind, wobei in radialer Richtung beispielhaft sechs Monolithe angeordnet sind. FIG. 3 shows a cross section through the preferred embodiment of a reactor R according to the invention shown in FIG. 2, with a cylindrical reactor jacket RM and a concentric inner cylinder I which divide the reactor interior into an outer annular space RR and a central inner space IR, wherein outer annular space RR internals are provided, which are formed in the preferred embodiment shown in the figure as monoliths M, wherein in the radial direction by way of example six monoliths are arranged.
Wie aus der Längsschnittdarstellung in Figur 4 (Schnitt B-B) erkennbar, sind mehrere Reihen von Monolithen M zu jeweils einem Monolithmodul MM übereinander gestapelt und beispielhaft 7 Monolithmodule MM unter Ausbildung jeweils einer flächigen Packungseinheit P übereinander gestapelt. As can be seen from the longitudinal section in FIG. 4 (section BB), several rows of monoliths M are stacked one above the other in each case for a monolith module MM and by way of example, 7 monolith modules MM are stacked on top of each other, forming a flat packing unit P in each case.
Über eine Zuführleitung 1 wird ein gasförmiger Eduktstrom zunächst in den Mantelraum des Wärmetauschers W im zentralen Innenraum IR eingeleitet und strömt anschließend in das Eintrittssegment ES des äußeren Ringraumes RR, wird über den Strömungsgleichrichter G vergleichmäßigt und durchströmt die im äußeren Ringraum RR angeordneten Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, und die in der in Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsform als Monolithe M ausgebildet sind, die zu Monolithmodulen MM zusammengefasst sind. Die Monolithmodule MM sind in Führungsschienen F, die an den dem äußeren Ringraum RR zugewandten Wänden des Reaktormantels RM und des Innenzylinders I angeordnet sind, eingeschoben. Via a supply line 1, a gaseous reactant stream is first introduced into the shell space of the heat exchanger W in the central interior IR and then flows into the inlet segment ES of the outer annulus RR is equalized via the flow rectifier G and flows through the arranged in the outer annulus RR internals, the contain heterogeneous catalyst, and which are formed in the preferred embodiment shown in Figure as monoliths M, which are summarized to monolith modules MM. The monolith modules MM are inserted into guide rails F, which are arranged on the walls of the reactor jacket RM and of the inner cylinder I facing the outer annular space RR.
Das Reaktionsgasgemisch durchströmt den kompletten äußeren Ringraum RR, der in der in Figur 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform drei katalytisch aktive Zonen Z umfasst, strömt über eine Öffnung im oberen Bereich als Austrittssegment AS in den oberen Haubenraum, durchströmt die Rohre von oben nach unten in den unteren Haubenraum und verlässt denselben über die Abführleitung 2 durch das Austrittssegment AS, das, in der in der Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsform durch eine Trennwand T vom Eintrittssegment getrennt ist. The reaction gas mixture flows through the complete outer annular space RR, which in the preferred embodiment shown in FIG. 3 comprises three catalytically active zones Z, flows through an opening in the upper region as exit segment AS into the upper hood space, flows through the tubes from top to bottom into the lower hood space Dome space and leaves the same via the discharge line 2 through the exit segment AS, which, in the preferred embodiment shown in the figure by a partition T is separated from the inlet segment.
Über drei Zuführleitungen 3 wird Zusatzgas eingespeist, wobei nach jeder Zuführleitung 3 jeweils eine Einmischvorrichtung EV angeordnet ist. Additional feed gas is fed via three feed lines 3, whereby after each feed line 3 a mixing device EV is arranged in each case.
Figur 3A zeigt einen Querschnitt durch eine weiter verbesserte Ausführungsform des in Figur 3 dargestellten Reaktors R, wobei zusätzlich eine Brenngaszuführung BG im Eintrittssegment ES vorgesehen ist. FIG. 3A shows a cross section through a further improved embodiment of the reactor R shown in FIG. 3, wherein additionally a fuel gas feed line BG is provided in the entry segment ES.
Figur 4 zeigt eine Längsschnittdarstellung B-B durch die in Figur 3 im Querschnitt dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors R. Der Schnitt B-B ist durch Monolithmodule MM gelegt und verdeutlicht deren Ausdehnung in Längsrichtung des Reaktors, unter Ausbildung einer flächigen Packungseinheit P. FIG. 4 shows a longitudinal section B-B through the preferred embodiment of a reactor R according to the invention shown in cross-section in FIG. 3. The section B-B is laid through monolith modules MM and illustrates their expansion in the longitudinal direction of the reactor, forming a flat packing unit P.
Figur 5 zeigt eine Längsschnittdarstellung durch eine weitere verbesserte Ausführungsform des in Figur 3 im Querschnitt dargestellten Reaktors, wobei der eine Isolierung IS aufweisende Reaktormantel RM in ein drucktragendes zylindrisches Gehäuse D eingehüllt ist, das ebenfalls eine Isolierung IS aufweist, mit einem Zwischenraum zwischen dem Reaktormantel RM und dem drucktragen zylindrischen Gehäuse D, der von einem Inertgas durchspült ist. FIG. 5 shows a longitudinal section through a further improved embodiment of the reactor shown in cross-section in FIG. 3, wherein the reactor jacket RM having an insulation IS is in a pressure-bearing cylindrical jacket Housing D is wrapped, which also has an insulation IS, with a gap between the reactor jacket RM and the pressure-carrying cylindrical housing D, which is flushed by an inert gas.
Figur 5A zeigt einen Querschnitt durch eine weiter verbesserte Ausführungsform des in Figur 5 dargestellten Reaktors R, wobei zusätzlich eine Brenngaszuführung BG im Eintrittssegment ES vorgesehen ist. FIG. 5A shows a cross section through a further improved embodiment of the reactor R shown in FIG. 5, wherein additionally a fuel gas feed line BG is provided in the inlet segment ES.
Die Längsschnittdarstellung in der Ebene B-B in Figur 6A sowie die Schnittdarstellung A-A', wobei der Schnitt durch die Zuführleitung 1 , die Eintrittskammer ES, die Austrittskammer AS und die Austrittsleitung 2 gelegt ist, verdeutlichen den Zwischenraum zwischen dem Reaktormantel RM und dem drucktragenden zylindrischen Gehäuse D, der, über die in den Figuren dargestellten Stutzen, mit einem Inertgas durchspülbar ist. The longitudinal section in the plane BB in Figure 6A and the sectional view A-A ', wherein the section through the supply line 1, the inlet chamber ES, the outlet chamber AS and the outlet line 2 is set, illustrate the gap between the reactor shell RM and the pressure-bearing cylindrical Housing D, which, via the nozzle shown in the figures, can be purged with an inert gas.
Die Figuren 7A und 7B zeigen Schnittdarstellungen in der Ebene A-A' für den in Figur 5A im Querschnitt dargestellten Reaktor R, mit jeweils unterschiedlichen Ausführungsformen für die Brenngaszuführung BG, wobei diese in Figur 7A als ein Rohr mit einer Vielzahl von Öffnungen ausgebildet ist bzw. in Figur 7B als Tauchrohr, woran sich statische Mischer anschließen. FIGS. 7A and 7B show sectional views in the plane AA 'for the reactor R shown in cross-section in FIG. 5A, each with different embodiments for the fuel gas supply BG, this being designed as a tube with a multiplicity of openings in FIG FIG. 7B as a dip tube, followed by static mixers.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Zuführleitung für Eduktstrom 1 supply line for educt current
2 Abführleitung für Produktgasgemisch 2 discharge line for product gas mixture
3 Zuführleitung für Zusatzgas 3 supply line for additional gas
AS Austrittssegment AS exit segment
BG Brenngaszuführung  BG fuel gas supply
D drucktragendes zylindrisches Gehäuse D pressure-bearing cylindrical housing
ES Eintrittssegment ES entry segment
EV Einmischvorrichtung  EV mixing device
F Führungsschiene  F guide rail
G Strömungsgleichrichter  G flow straightener
I Innenzylinder  I inner cylinder
IS thermische Isolierung  IS thermal insulation
IR zentraler Innenraum  IR central interior
M Monolith  M monolith
MM Monolithmodul  MM monolith module
R Reaktor  R reactor
RM Reaktormantel  RM reactor jacket
RR äußerer Ringraum  RR outer annulus
P flächige Packungseinheit  Flat pack unit
W Wärmetauscher  W heat exchanger
Z katalytisch aktive Zone  Z catalytically active zone

Claims

Patentansprüche claims
1 . Zylindrischer Reaktor (R) mit vertikaler Längsachse zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen durch Umsetzung eines gasförmigen Eduktstromes zu einem Produktgasgemisch, mit einem zylindrischen1 . Cylindrical reactor (R) with vertical longitudinal axis for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions by reacting a gaseous Eduktstromes to a product gas mixture, with a cylindrical
Reaktormantel (RM) und einem konzentrischen Innenzylinder (I), der den Reaktorinnenraum in einen äußeren Ringraum (RR) und einen zentralen Innenraum (IR) aufteilt, Reactor jacket (RM) and a concentric inner cylinder (I), which divides the reactor interior into an outer annular space (RR) and a central inner space (IR),
wobei im äußeren Ringraum (RR) Einbauten vorgesehen sind, die den heterogenen Katalysator enthalten,  wherein internals are provided in the outer annulus (RR) containing the heterogeneous catalyst,
mit einer Zuführleitung (1 ) für den gasförmigen Eduktstrom in ein Eintrittssegment (ES) des äußeren Ringraumes (RR) sowie mit einer Abführleitung (2) für das Produktgasgemisch aus einem Austrittssegment (AS) des äußeren Ringraumes (RR), wobei das Eintrittssegment (ES) und das Austrittssegment (AS) gasdicht voneinander getrennt sind,  with a feed line (1) for the gaseous reactant stream into an inlet segment (ES) of the outer annular space (RR) and with a discharge line (2) for the product gas mixture from an exit segment (AS) of the outer annular space (RR), wherein the entry segment (ES ) and the outlet segment (AS) are gas-tightly separated from each other,
und wobei im zentralen Innenraum (I) ein Wärmetauscher (W) angeordnet ist, worin der gasförmige Eduktstrom vor der Zuführung desselben in das Eintrittssegment (ES) vorgewärmt wird.  and wherein in the central interior (I) a heat exchanger (W) is arranged, wherein the gaseous reactant stream is preheated before it is fed into the inlet segment (ES).
2. Reaktor (R) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gasdichte Trennung des Eintrittssegmentes (ES) vom Austrittssegment (AS) mittels einer Trennwand (T) ausgeführt ist. 2. Reactor (R) according to claim 1, characterized in that the gas-tight separation of the inlet segment (ES) from the outlet segment (AS) by means of a partition wall (T) is executed.
3. Reaktor (R) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdichte Trennung des Eintrittssegmentes (ES) vom Austrittssegment (AS) mittels eines3. Reactor (R) according to claim 1 or 2, characterized in that the gas-tight separation of the inlet segment (ES) from the outlet segment (AS) by means of a
Trennsegmentes ausgeführt ist, durch das Zuführleitungen in den zentralen Innenraum (IR) gelegt werden können und/oder das die Zugänglichkeit des zentralen Innenraums (IR) von außerhalb des Reaktors ermöglicht. 4. Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, Monolithmodule (MM) vorgesehen sind, die Separating segment is carried out, can be placed through the feed lines in the central interior (IR) and / or allows the accessibility of the central interior (IR) from outside the reactor. 4. Reactor (R) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that as internals containing the heterogeneous catalyst, monolith modules (MM) are provided which
aus Monolithen (M) mit horizontal, im wesentlichen entlang konzentrischer Kreise angeordneten Kanälen gebildet sind, die jeweils zu zwei, drei oder mehreren, entlang jeweils eines Reaktorradius nebeneinander zu einer Reihe angeordnet sind und wobei zwei, drei oder mehrere Reihen von Monolithen (M) übereinander gestapelt sind, wobei jedes Monolithmodul (MM) über den Umfang desselben, unter Freilassung der Stirnflächen, die Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen der Kanäle enthalten, in einer oder mehreren faserhaltigen Matten und über denselben in einer Metallhülle eingefasst ist, wobei are formed of monoliths (M) with channels arranged horizontally substantially along concentric circles, which are each arranged in two, three or more rows, one row at a time along each reactor radius, and two, three or more rows of monoliths (M) stacked on top of each other, where each monolith module (MM) over the circumference of the same, leaving free the end faces, the inlet and outlet openings of the channels contained in one or more fibrous mats and the same is enclosed in a metal shell, wherein
- jedes Monolithmodul (MM) den äußeren Ringraum (RR) in radialer Richtung vollständig ausfüllt, wobei - Each monolith module (MM), the outer annular space (RR) in the radial direction completely fills, wherein
jeweils zwei oder mehrere Monolithmodule (MM) übereinander zu flächigen Packungseinheiten (P) zusammengefasst sind, die radial im Ringraum (RR) des Reaktors (R) angeordnet sind, und wobei  in each case two or more monolith modules (MM) are combined one above the other into planar packing units (P) which are arranged radially in the annular space (RR) of the reactor (R), and wherein
- ein, zwei oder mehrere Packungseinheiten (P) jeweils ein Segment im äußeren Ringraum (RR) des Reaktors (R) über die gesamte Höhe desselben ausfüllen und eine katalytisch aktive Zone (Z) bilden. - One, two or more packing units (P) each fill a segment in the outer annular space (RR) of the reactor (R) over the entire height thereof and form a catalytically active zone (Z).
Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, Monolithmodule (MM) vorgesehen sind, die Reactor (R) according to one of claims 1 to 3, characterized in that as internals containing the heterogeneous catalyst, monolith modules (MM) are provided which
aus Monolithen (M) mit horizontal, im wesentlichen entlang konzentrischer Kreise angeordneten Kanälen gebildet sind, die jeweils zu vier oder mehreren, entlang jeweils eines Reaktorradius nebeneinander zu einer Reihe angeordnet sind und wobei vier oder mehrere Reihen von Monolithen (M) übereinander gestapelt sind, wobei  monoliths (M) are formed with channels arranged substantially horizontally along concentric circles, each being arranged in four or more rows, one row at a time along a reactor radius, and four or more rows of monoliths (M) being stacked on top of each other, in which
jedes Monolithmodul (MM) über den Umfang desselben, unter Freilassung der Stirnflächen, die Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen der Kanäle enthalten, in einer oder mehreren faserhaltigen Matten und über denselben in einer Metallhülle eingefasst ist, wobei  each monolith module (MM) over the circumference of the same, leaving free the end faces, the inlet and outlet openings of the channels contained in one or more fibrous mats and the same is enclosed in a metal shell, wherein
jedes Monolithmodul (MM) den äußeren Ringraum (RR) in radialer Richtung vollständig ausfüllt, wobei  each monolith module (MM) completely fills the outer annulus (RR) in the radial direction, wherein
jeweils zwei oder mehrere Monolithmodule (MM) übereinander zu flächigen Packungseinheiten (P) zusammengefasst sind, die radial im äußeren Ringraum (RR) des Reaktors (R) angeordnet sind, und wobei  in each case two or more monolith modules (MM) are combined one above the other into planar packing units (P) which are arranged radially in the outer annular space (RR) of the reactor (R), and wherein
ein, zwei oder mehrere Packungseinheiten (P) jeweils ein Segment im Ringraum (RR) des Reaktors (R) über die gesamte Höhe desselben ausfüllen und eine katalytisch aktive Zone (Z) bilden.  one, two or more packing units (P) in each case fill a segment in the annular space (RR) of the reactor (R) over its entire height and form a catalytically active zone (Z).
Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, Monolithmodule (MM) vorgesehen sind, die aus Monolithen (M) mit horizontal, im Wesentlichen entlang konzentrischer Kreise angeordneten Kanälen gebildet sind, die jeweils zu acht oder mehreren, entlang jeweils eines Reaktorradius nebeneinander angeordnet sind und wobei Reactor (R) according to one of claims 1 to 3, characterized in that as internals containing the heterogeneous catalyst, monolith modules (MM) are provided which monoliths (M) are formed with horizontally arranged substantially along concentric circles channels, which are each arranged to eight or more, each along a reactor radius adjacent to each other and wherein
acht oder mehrere Reihen von Monolithen (M) übereinander gestapelt sind, wobei  eight or more rows of monoliths (M) are stacked on top of each other, wherein
jedes Monolithmodul (MM) über den Umfang desselben, unter Freilassung der Stirnflächen, die Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen der Kanäle enthalten, in einer oder mehreren faserhaltigen Matten und über denselben in einer Metallhülle eingefasst ist, wobei  each monolith module (MM) over the circumference of the same, leaving free the end faces, the inlet and outlet openings of the channels contained in one or more fibrous mats and the same is enclosed in a metal shell, wherein
jedes Monolithmodul (MM) den äußeren Ringraum (RR) in radialer Richtung vollständig ausfüllt, wobei  each monolith module (MM) completely fills the outer annulus (RR) in the radial direction, wherein
jeweils zwei oder mehrere Monolithmodule (MM) übereinander zu flächigen Packungseinheiten (P) zusammengefasst sind, die radial im äußeren Ringraum (RR) des Reaktors (R) angeordnet sind, und wobei  in each case two or more monolith modules (MM) are combined one above the other into planar packing units (P) which are arranged radially in the outer annular space (RR) of the reactor (R), and wherein
ein, zwei oder mehrere flächige Packungseinheiten (P) jeweils ein Segment im Ringraum (RR) des Reaktors (R) über die gesamte Höhe desselben ausfüllen und eine katalytisch aktive Zone (Z) bilden.  one, two or more flat packing units (P) each fill a segment in the annular space (RR) of the reactor (R) over its entire height and form a catalytically active zone (Z).
Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Ringraum (RR) sowohl zum Reaktormantel (RM) als auch zum zentralen Innenraum (IR) hin eine thermische Isolierung (IS) aufweist. Reactor (R) according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the outer annular space (RR) has thermal insulation (IS) both to the reactor jacket (RM) and to the central inner space (IR).
Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden flächigen Packungseinheiten (P) Abstandshalter vorgesehen sind. Reactor (R) according to one of claims 4 to 7, characterized in that spacers are provided between each two successive flat packing units (P).
Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass d eine, zwei oder mehreren flächigen Packungseinheiten (P) jeweils Führungsschienen (E) eingeschoben sind. Reactor (R) according to one of claims 4 to 8, characterized in that d one, two or more flat packing units (P) each guide rails (E) are inserted.
10. Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Reaktionsgasgemisches vor jeder katalytisch aktiven Zone (Z) jeweils eine Zuführleitung (3) für ein Zusatzgas sowie eine Einmischvorrichtung (EV) vorgesehen ist. 10. Reactor (R) according to one of claims 4 to 9, characterized in that in the flow direction of the reaction gas mixture before each catalytically active zone (Z) each have a feed line (3) for an additional gas and a mixing device (EV) is provided.
1 1 . Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten als Siebkörbe ausgebildet sind, die mit einem partikelförmigen, heterogenen Katalysator gefüllt sind. 1 1. Reactor (R) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the internals are designed as screen baskets which are filled with a particulate, heterogeneous catalyst.
12. Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Ringraum (RR) zusätzlich zu den Einbauten, die den heterogenen Katalysator enthalten, Einschübe zur Aufnahme von Inertmaterial und/oder Wärmetauschereinrichtungen vorgesehen sind. 12. Reactor (R) according to any one of claims 1 to 1 1, characterized in that in the outer annular space (RR) in addition to the internals containing the heterogeneous catalyst, bays are provided for receiving inert material and / or heat exchanger devices.
13. Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei Packungseinheiten (P) Messelemente zur Bestimmung von Temperaturen und/oder Konzentrationen vorgesehen sind, die über den zylindrischen Reaktormantel (RM) von außerhalb des Reaktors (R) in den äußeren13. Reactor (R) according to any one of claims 4 to 12, characterized in that between each two packing units (P) measuring elements for the determination of temperatures and / or concentrations are provided, via the cylindrical reactor jacket (RM) from outside the reactor ( R) in the outer
Ringraum (RR) eingeführt sind. Annular space (RR) are introduced.
14. Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (W) ein Rohrbündelwärmetauscher ist. 14. Reactor (R) according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the heat exchanger (W) is a tube bundle heat exchanger.
15. Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (W) ein Plattenwärmetauscher ist. 15. Reactor (R) according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the heat exchanger (W) is a plate heat exchanger.
16. Reaktor (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Reaktormantel (RM) in ein drucktragendes zylindrisches16. Reactor (R) according to one of claims 1 to 15, characterized in that the cylindrical reactor jacket (RM) in a pressure-bearing cylindrical
Gehäuse (D) integriert ist, wobei bevorzugt zwischen dem zylindrischen Reaktormantel (RM) und dem drucktragenden zylindrischen Gehäuse (D) ein Zwischenraum vorgesehen ist, der bevorzugt eine Inertgasspülung aufweist. Housing (D) is integrated, wherein preferably between the cylindrical reactor jacket (RM) and the pressure-bearing cylindrical housing (D), a gap is provided, which preferably has an inert gas purging.
17. Verwendung des Reaktors (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Durchführung von endothermen, exothermen oder adiabaten Reaktionen. 17. Use of the reactor (R) according to any one of claims 1 to 16 for carrying out endothermic, exothermic or adiabatic reactions.
18. Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionen Dehydrierungen sind, insbesondere autotherme Gasphasendehydrierungen, bevorzugt von n-Butan, Isobutan, n-Propan, Buten oder Ethylbenzol, Oxidationen, insbesondere zu Acrolein, Methacrolein, Acrylsäure, Methacrylsäure, Phthalsäureanhydrid oder Maleinsäureanhydrid oder Hydrierungen, insbesondere von Maleinsäureanhydrid zu Tetrahydrofuran. 18. Use according to claim 17, characterized in that the reactions are dehydrogenations, in particular autothermal gas phase dehydrogenations, preferably of n-butane, isobutane, n-propane, butene or ethylbenzene, oxidations, in particular to acrolein, methacrolein, acrylic acid, methacrylic acid, phthalic anhydride or Maleic anhydride or hydrogenations, in particular of maleic anhydride to tetrahydrofuran.
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