WO2017103199A1 - Reaktor zur durchführung von heterogen katalysierten gasphasenreaktionen sowie verwendung des reaktors - Google Patents

Reaktor zur durchführung von heterogen katalysierten gasphasenreaktionen sowie verwendung des reaktors Download PDF

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reactor
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gas phase
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Andreas Woelfert
Holger Friedrich
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Definitions

  • the invention relates to a reactor for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions and to a use.
  • reaction temperatures In reactors for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions, the reaction temperatures often reach values in the range of about 600 to 1,500 ° C, in particular in the range of about 800 to 1, 000 ° C.
  • the heterogeneous catalyst which is often in the form of a bed, is used in catalyst baskets supported by suitable bearings, brackets or brackets disposed on the reactor jacket.
  • the material used for such catalyst baskets metal alloys are usually used.
  • the catalyst basket expands, with the linear expansion for a typical nickel-chromium alloy, such as for the Inconel TM 600 high temperature alloy (material number 2.4816) with a linear expansion coefficient of 18-20 x 10 -6 / K, at a reaction temperature of 1 .000 ° C and a reactor diameter of 5 m is about 80 - 90 mm.
  • the invention is therefore based on the technical problem of providing a reactor for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions at high reaction temperatures, which largely overcomes the disadvantages described above.
  • the invention accordingly provides a reactor for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions, with one or more built-in elements in the flow direction of the gas mixture of the heterogeneously catalyzed gas phase reaction through the reactor, the built-in elements extending over the entire reactor cross section.
  • the reactor according to the invention is characterized in that the one or more installation elements are at least partially, preferably completely, formed from a fiber composite ceramic material.
  • the built-in elements are preferably built-in elements for accommodating a heterogeneous catalyst.
  • the built-in elements can also comprise empty elements, which are not flowed through by the reaction gas and therefore usually also contain no catalyst material.
  • These empty elements can be so-called dummy bodies which can be installed instead of catalyst-containing built-in elements, for example when the reactor is operated at reduced load.
  • the dummy bodies must be designed so that a bypass of reaction gases is prevented.
  • the dummy bodies are therefore formed as plates or boxes.
  • the inventively provided use of built-in elements of fiber composite ceramic materials ensures that the mounting elements have a reduced thermal expansion and increased high temperature strength, so that the problems described above in the use of fittings made of metal alloys do not occur or only to a much lesser extent.
  • the mounting elements in particular those which are not critical for the thermal expansion behavior, can also be formed from materials other than the fiber composite ceramic material, such as grids or networks, in particular if they are not firmly connected to the basic structure of the internals.
  • the mounting elements are almost completely, particularly preferably formed completely from a fiber composite ceramic material.
  • the fiber composite ceramic material is in particular formed from a ceramic matrix in which ceramic fibers are embedded.
  • the fiber composite ceramic materials used according to the invention are characterized by ceramic fibers, in particular long fibers, which are embedded as a wound body or as a textile in a matrix of ceramic particles. It is spoken of fiber-reinforced ceramics, composite ceramics or simply fiber ceramics. In principle, matrix and fiber may consist of all known ceramic materials, in which context carbon is also understood as a ceramic material.
  • Suitable fibers are reinforcing fibers which fall into the classes oxide, carbide, nitridic fibers or C fibers and SiBCN fibers.
  • the fibers of the ceramic composite material are alumina, mullite, silicon carbide, zirconia and / or carbon fibers.
  • Mullite consists of mixed crystals of alumina and silica.
  • the use of fibers of oxide ceramic (Al 2 O 3, SiO 2, mullite) or of non-oxide ceramic (C, SiC) is preferred.
  • the ceramic matrix and / or the ceramic fibers are formed from an oxide ceramic.
  • the mounting elements consist of oxide-ceramic fibers embedded in an oxide-ceramic matrix.
  • Such oxide ceramic systems are chemically very stable and durable and can therefore be used in demanding, especially corrosive reaction environments.
  • Such an oxide-ceramic system may also contain mixtures of different oxide-ceramic fibers.
  • creep-resistant fibers are used, d. H. Fibers, which in the creep range - in the temperature range up to 1400 ° C - show no or only a minimal temporal increase in the permanent deformation, ie the creep strain.
  • 3M specifies the following limit temperatures for the NEXTEL TM fibers for 1% compression after 1000h under tensile load of 70 MPa: NEXTEL TM 440: 875 ° C, NEXTEL TM 550 and NEXTEL TM 610: 1010 ° C, NEXTEL TM 720: 1 120 ° C (Reference: Nextel TM Ceramic Textiles Technical Notebook, 3M, 2004).
  • the fibers are characterized by a high creep strength to the effect that the strength is ensured in particular under atmospheric air at high operating temperatures.
  • the fibers advantageously have a diameter between 10 and 12 ⁇ . They are advantageous to each other - usually with linen or satin weave - woven into textile webs, knitted into tubes or wrapped as a fiber bundle around a mold.
  • the fiber bundles or fabrics are, for example, infiltrated with a slip containing the components of the later ceramic matrix, advantageously Al 2 O 3 or mullite (see, for example, Schmücker, M. (2007): “Fiber-reinforced Oxide-Ceramic Materials", Materials Science and Materials Engineering, 38 (9), 698-704).
  • the ceramic fiber composite used is preferably SiC / SiC, C / C, C / SiC, Al 2 O 3 / Al 2 O 3 and / or mullite / mullite.
  • the material before the slash designates the fiber type and the material after the slash designates the matrix type.
  • Matrix system for the ceramic fiber composite structure can also siloxanes, Si precursors and various oxides, such as zirconium oxide, are used.
  • Fiber composites based on oxide-ceramic fibers for example 3M TM NEXTEL TM 312, NEXTEL TM 440, NEXTEL TM 550, NEXTEL TM 610 or NEXTEL TM 720, are preferably used in the present invention. Particularly preferred is the use of NEXTEL 720.
  • NEXTEL 720 is designed for a continuous operating temperature of 1370 ° C. The expansion coefficient is 6.0 x 10 "6 / K.
  • NEXTEL TM are in the form of textile Matt employed 720th
  • the matrix has a degree of filling of fibers (volume fraction of the fibers in the composite structure) of 20 to 40%, the total solids content of the composite structure is between 50 and 80%.
  • Fiber-composite ceramics based on oxide ceramic fibers are chemically resistant in oxidizing and reducing gas atmospheres (ie no change in weight after storage in air at 1200 ° C. for 15 h (reference: Nextel TM Ceramic Textiles Technical Notebook, 3M, 2004)) and thermally resistant up to more than 1300 ° C. Fiber-composite ceramics have a quasi-ductile deformation behavior. Thus, the fiber composites according to DIN EN 993-1 1 temperature change resistant and have a quasi-tough fracture behavior. Thus, the failure of a component announces itself before it breaks.
  • the fiber composite material in particular the oxide ceramic fiber composite material, has the following advantageous properties:
  • the fiber composite material advantageously has a porosity of 20% to 50%; it is therefore not gas-tight as defined in DIN 623-2.
  • the fiber composite material advantageously has a maximum continuous use temperature of 1000 to 1500 ° C, preferably 1 100 to 1400 ° C, in particular 1200 to 1300 ° C.
  • the fiber composite material advantageously has a strength of 50 to 130 [MPa], preferably 70 to 120 [MPa], in particular 80 to 100 [MPa].
  • the fiber composite material advantageously has a yield strength of elastic deformation of 0.2 to 1%.
  • the fiber composite material is advantageously resistant to thermal shock at the intended operating temperatures in the sense of a test according to DIN EN 993-1 1.
  • the fiber composite material advantageously has a thermal coefficient of thermal expansion 3-12 x10 "-6 / K, particularly preferably 5-8 x10- 6 / K on.
  • the fiber composite material advantageously has a thermal conductivity [W / m / K] of 0.5 to 30, preferably from 2 to 5, on.
  • the fiber composite ceramic material can by CVI (Chemical Vapor Infiltration), pyrolysis, in particular LPI (Liquid Polymer Infiltration), by chemical reaction as LSI (Liquid Silicon Infiltration), or by the WHIPOX TM method (Wound Highly Porous Oxide Composite) are produced.
  • the oxide fiber composite ceramic materials have the following advantageous for the inventive use properties: a low thermal expansion coefficient (for mullite about 4 x10 "-6 / K, of alumina about 8 x10" -6 / K, whereas for stainless steel 1 .4841 15 x10 "6 / K) - a low specific gravity (mullite about 2 g / ml compared to about 8 g / l for
  • the reactor according to the invention is designed for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions at reaction temperatures between 600 and 1500 ° C., preferably also at reaction temperatures between 800 and 1 000 ° C.
  • reaction temperature is understood to mean the maximum temperature which is achieved in the reactor during the implementation of the heterogeneously catalyzed gas phase reaction.
  • the inventive reactor has one or more successively arranged in the flow direction of the gas mixture of the heterogeneously catalyzed gas phase reaction through the reactor built-in elements for receiving the heterogeneous catalyst, which may be present in particular as a bed or as a monolith on. These extend in each case, optionally in conjunction with dummy bodies, over the entire reactor cross-section.
  • the catalyst material can be arranged in each installation element in one or more layers, for example in catalyst layers with different catalytic activity.
  • the layers can optionally be separated from one another by a planar arrangement of nets.
  • monoliths when monoliths are used, different monoliths can be arranged one above the other.
  • the reactor is preferably a reactor for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions on an industrial scale.
  • the reactor therefore preferably has a reactor cross section which is greater than 0.25 m 2 , particularly preferably greater than 1 m 2 , in the regions in which the one installation element is arranged or in which the plurality of installation elements are arranged.
  • the maximum reactor cross section is preferably in the range between 5 and 50 m 2 , in particular between 10 and 30 m 2 .
  • the reactor according to the invention may have any reactor cross section, for example a circular, an elliptical or a polygonal cross section.
  • the reactor has a circular or approximately circular reactor cross-section, so that the reactor preferably has an overall cylindrical, for example flat-cylindrical design, ie the reactor has in this case a substantially cylindrical reactor shell, which is particularly advantageous for pressure-loaded reactor jackets ,
  • the one or more in the flow direction of the gas mixture of the heterogeneously catalyzed gas phase reaction successively arranged in the reactor mounting elements are each formed as one-piece mounting elements.
  • One-part in the present context means that a built-in element extends over the entire inner cross section of the reactor and is not subdivided into individual, juxtaposed installation elements.
  • integrated mounting element is not limited to one-piece mounting elements, but in the context of the present invention, a “one-piece mounting element” consist of several components.
  • the one-piece component is preferably formed as a one-piece basket with a closed vertical side wall and a perforated bottom.
  • the perforations of the soil preferably have an opening ratio of 30 to 80%, preferably from 40 to 60%.
  • the floor can be firmly integrated into the basket or designed as a loose floor.
  • the side wall of the one-piece basket is also a cylinder jacket.
  • the cylindrical closed vertical side wall is bent at its upper end to the outside to a horizontal, supporting annular disc. This allows in a simple manner the positioning of the one-piece basket on a support.
  • the support is preferably designed as an annular, attached to the inner wall of the reactor shell, in particular welded to the reactor shell console.
  • the support is a bearing section integrated into the reactor jacket.
  • the bearing section comprises a vertical side wall and a horizontal annular nose projecting into the interior of the reactor.
  • the bearing portion is formed as a rotationally symmetrical component which can be produced by turning or milling.
  • the storage section the jacket is in particular weldable in the reactor jacket.
  • the bearing portion may also have an integrated flange.
  • the seal is formed of high temperature resistant mineral fiber materials, such as fiber cords, single or multi-layer fiber ribbons or single or multi-layer fiber mats.
  • the fibers are alkaline earth silicates or aluminum silicates.
  • Particular preference is given to using fiber mats or fiber swelling mats or tapes as sealing material, as described, for example, in the Applicant's international patent application WO / 2014/125023.
  • Fiber swell mats are laminar deposits that expand (swell) with temperature increases.
  • Fiber swell mats are usually made of silicates, z.
  • silicates z.
  • vermiculite As vermiculite, and an organic binder.
  • Such fiber mats or fiber swell mats are sheet-like structures with a thickness in the range of about 3 to 20 mm, preferably in a range of about 5 to 10 mm.
  • the width and length of the fiber source mats are due to manufacturing technology, and are each in a range of about 0.5 to 5 m.
  • a typical measure of fiber source mats is 1, 20 mx 4 m.
  • Fiber swell mats are usually made of silicates, preferably in fiber form, for.
  • silicates preferably in fiber form, for.
  • such Fiber expanding mats are sold for example by the company 3M under the brand name INTERAM® ®.
  • the organic binder is in the form of organic polymer fibers, in particular in the form of organic polymer fibers having two or more melting ranges.
  • Fiber swell mats containing silicate fibers, a blown mica and organic polymer fibers are particularly advantageous in that they have resilient properties, and thus an excellent seal by clamping between the components, between which cavities are to bridge, ensure:
  • the organic polymer fibers begin to melt and crosslink (bond) the fibrous silicates.
  • the silicate fibers thereby form a fiber skeleton with cavities in which the expanding mica is incorporated.
  • the expanded mica applies tension to the fiber structure and expands it.
  • the fiber swell mats are wrapped on all sides in a film made of a plastic, After the Faserquellmatte is wrapped in the plastic film, which is enclosed by the plastic film and the Faserquellmatte containing interior is vacuumed.
  • the fiber swell mat expands to twice its thickness in the vacuumed state. This makes it possible, the components provided for assembly loosely, play together, without applying forces, while still ensuring that the expanding during Entvakuum Schlieren fiber source mat securely fixes the components.
  • the interior space containing the fiber swelling mat can be easily vacuum-evacuated by piercing or cutting the plastic film.
  • the interior space enclosed by the plastic film and containing the fiber swell mat can be vacuum-evacuated by exposing the fiber swell mat to an elevated temperature at which the plastic film burns.
  • the individual, vacuum-formed fiber source mats are lined up with a rectangular stepped rebate or in rectangular tongue and groove system, so that the tightness of the connection is ensured.
  • the fiber composite ceramic material for the one or more one-piece installation elements for example for the one-piece basket, is selected such that the installation element is self-supporting. Under self-supporting is to be understood that the oxide ceramic installation element in its structure can withstand the mechanical stresses (weight of the bed, own weight, force by pressure loss) under operating conditions even without auxiliary support.
  • the one or more built-in elements arranged one behind the other in the flow direction of the gas mixture of the heterogeneously catalyzed gas phase reaction through the reactor are constructed in several parts.
  • a "multi-part built-in element” is understood to be a built-in element which consists of a plurality of identical or similar individual built-in components which are arranged side by side in the reactor and substantially together fill the inner cross-section of the reactor.
  • Each built-in part of these multi-part mounting elements can be again in one piece or consist of several components.
  • the successively arranged in the flow direction of the gas mixture of the heterogeneously catalyzed gas phase reaction one or more, multi-part mounting elements may comprise a plurality, in particular three, four or more grates.
  • the grates are preferably positioned loosely next to each other on carriers.
  • the multi-part built-in elements may comprise several, in particular three, four or more individual baskets, the baskets each having their own side walls and perforated trays.
  • the baskets are preferably positioned loosely next to each other directly on supports or on grates located above the supports.
  • the individual baskets are preferably sealed against each other and against the inner wall of the reactor shell, in particular by means of the fiber mats described above or another suitable joint filling material.
  • grates are flat perforated plates or grids on which either catalyst material can be arranged directly as a bed or as monoliths or which serve as a support for baskets.
  • the grates are for Gas permeable and otherwise designed so that the catalyst material or baskets are safely carried.
  • Bases in the context of the present invention also have a gas-permeable bottom and can also be filled with catalyst material as a bed or as monoliths.
  • baskets also have an upstanding sidewall which laterally confines the catalyst material. Also in the baskets or on the roasters can again, as described above, several catalyst layers are arranged, for example catalyst layers with different activity.
  • the support arrangement on which the individual baskets and / or individual grates are arranged side by side must be able to flow through the gas mixture of the heterogeneously catalyzed gas phase reaction. This can be ensured by providing several carriers, for example rod-shaped carriers, which are arranged at a distance from one another and / or that the carriers are perforated, in particular planar carriers will preferably have perforations for the gas passage.
  • the carriers and the multi-part internals are preferably made entirely or partially of fiber-ceramic composite materials.
  • T-beams, double-T beams or profiled, in particular corrugated, perforated elements are used as the carrier.
  • the multi-part fixtures such as grates and baskets are supported by the carriers and can be designed as complex components, for example as components with a fine lattice structure in the bottom, which causes no pressure loss during gas passage. Since the multi-part internals are supported by the stable beams, the strength of the internals can be reduced in favor of their complexity.
  • both the multi-part mounting elements and the carrier are preferably formed from fiber composite ceramic materials.
  • a fiber composite material for the carrier with higher strength compared to the fiber composite ceramic material is selected for the mounting elements.
  • the carriers which have a simpler geometry compared to the mounting elements, to embed longer fibers in the matrix and thereby achieve a higher strength of the fiber composite ceramic material over the material for the mounting elements, whose geometry is usually more complex ,
  • two, three or more built-in elements are provided, which are successively arranged in the reactor by the gas mixture of the heterogeneously catalyzed gas phase reaction.
  • additional feeds as well as mixing devices for additional gas can be provided between the individual mounting elements.
  • the reactor may advantageously have a conical geometry;
  • this reactor geometry also has the advantage that supports on the interior reactor shell do not interfere with the replacement of individual installation elements, so that the same is easier to carry out.
  • Preferred uses of the reactor of the invention include use as a furnace or combustor, such as for the complete oxidation / combustion of organic compounds, as a reactor for the partial oxidation of organic compounds, such as for the production of formaldehyde from the oxidation of methanol, as a synthesis gas synthesis reactor.
  • a reactor for ammonia oxidation ie for partial oxidation in the presence of ammonia such as for the production of acrylonitrile from propylene and / or acrolein or methacrylonitrile from isobutene and or methacrolein
  • a reactor for dehydrogenation in particular for the oxidative dehydrogenation of hydrocarbons, such as for the preparation of propene from propane
  • a reactor for the oxidation of inorganic compounds such as for S02-Oxi or for the production of nitric acid by oxidation of ammonia
  • Exhaust gas purification such as for IS O decomposition and catalytic afterburning or flue gas cleaning.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through an embodiment of a
  • inventive reactor with a first variant of a one-piece
  • Figure 2 is a view corresponding to Figure 1 of a second variant of a
  • Figure 3 is a view corresponding to Figure 1 of a third variant of a
  • FIG. 4 shows a detail of FIG. 3
  • Figure 5 is a view corresponding to Figure 1 of a fourth variant of a
  • Figure 6 is a view corresponding to Figure 1 of a fifth variant of a
  • Figure 7 is a view corresponding to Figure 1 of a sixth variant of a one-piece mounting element
  • Figure 8 is a view corresponding to Figure 1 of a seventh variant of a
  • Figure 10 is a schematic longitudinal section through a preferred embodiment of a reactor with a multi-part mounting element
  • Figure 1 1 is a section along the line A-A of Figure 10;
  • Figure 12 is a section along the line B-B of Figure 10;
  • Figure 13 is a view corresponding to Figure 10 of a second variant of a multi-part mounting element
  • Figure 14 is a view corresponding to Figure 10 of a third variant of a
  • Figure 15 shows a variant of a carrier for multi-part mounting elements in
  • FIG. 16 shows a perspective view of the carrier of FIG. 15.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through a portion of a reactor 10, in which a one-piece mounting element 1 1 is arranged.
  • the one-piece component 1 1 is formed as a basket 12 which is bounded laterally by a vertical side wall 13 and at the bottom of a perforated bottom 14.
  • the vertical side wall 13 of the basket 12 merges in the top in an outwardly horizontally angled annular disc 15 which rests on a support 16 which is connected to the wall 17 of the reactor 10, for example by welding.
  • the annular disc 15 of the basket 12 is sealed against the support by means of a seal 18.
  • catalyst material 19 which may be formed for example as a bed of catalyst particles or as a monolithic catalyst.
  • the basket 12 may be covered on its upper side with a precious metal net 20.
  • the arrow 21 illustrates the flow direction of the gas flow of the heterogeneously catalyzed gas phase reaction through the reactor 10.
  • a weighting element 22 for example one or more covering blocks or a circumferential covering ring, is additionally provided above the horizontally angled annular disk 15 in order to ensure the secure positioning of the noble metal network and the catalyst bed.
  • the support 16 is located in a thermally stressed region of the reactor 10, since in this area, the heterogeneously catalyzed gas phase reaction takes place. Therefore, the reliable attachment of the support 16 on the inner wall of the reactor shell 17 is technologically demanding.
  • this problem is solved in that the Reactor casing 17 is formed in several parts and has a bearing portion 23, softer inserted at the level of the mounting element 1 1 in the reactor shell 17 and connected to the rest of the reactor shell via welded joints 24.
  • the bearing portion 23 of the reactor shell 17 has a side wall 25 and an integrally formed with the side wall 25, inwardly projecting, annular nose 26, which forms the support for the mounting element.
  • the side wall 25 extends vertically above and below the annular nose 26 and thus forms part of the reactor shell.
  • the bearing portion 23 with its inwardly projecting nose 26 may be formed as a turned or milled workpiece.
  • the workpiece section forming the bearing section 23 is again shown in isolation in FIG. Since the welds 24 are now located at a greater distance from the thermally stressed area in the vicinity of the basket 12, high temperature problems in mounting the support in the embodiment shown in Figure 3 can be more easily avoided.
  • FIG. 5 shows a fourth variant of a reactor with a one-piece built-in element.
  • the mounting element 1 1 is again designed as a basket 12, in contrast to the variants of Figures 1 -3, the vertical side wall 13 is not bent at its upper end horizontally to an annular disc to mount the basket 12 on the support 16, but the Basket 12 is seated in total, again via a sealing ring 18 arranged therebetween, on the support 16.
  • FIG. 6 shows a further preferred embodiment of a basket 12 formed as a one-piece mounting element 1 1, wherein between the side wall 13 of the basket 12 and the support 16, an insulating member 27 is provided from high-temperature ceramic, the wall of the reactor shell 17, in particular the side wall 25 of the bearing section 23, thermally protects.
  • the support 16 is shown as part of a rotated bearing portion 23, as described in connection with Figure 3 in more detail.
  • Figure 7 shows a longitudinal section through a further preferred embodiment with one-piece mounting element 1 1, wherein the jacket 17 of the reactor 10 is again formed in several parts.
  • the reactor shell is made of inexpensive mild steel.
  • the reactor shell 17 consists of an intermediate ring 30 made of high temperature steel.
  • the upper and lower shell sections 28, 29 have connecting flanges 31, 32, between which the intermediate ring is pressed in via sealing elements 33. In these areas, the reactor 10 can also be easily disassembled for maintenance purposes.
  • FIG. 9 shows a longitudinal section through a further preferred embodiment of a reactor 10 according to the invention.
  • three one-piece installation elements 1 1 arranged one behind the other in the flow direction and formed as baskets 12 are arranged in the reactor 10, as they are also in connection with the variant 1 have already been described in more detail.
  • the reactor shell 17 tapers from top to bottom, so that the individual baskets 12 can be easily removed despite a fixedly connected to the reactor shell 17 support 16 by a (not shown) upper mounting opening of the reactor 10.
  • devices not shown in FIG. 9, for injecting intermediate gas, withdrawal means or mixing devices can be provided.
  • FIG. 10 shows a longitudinal section through a further preferred embodiment of the reactor 10 according to the invention with a built-in element.
  • the installation element is designed as a multipart installation element 35.
  • the individual parts of the multipart mounting element 35 are formed by grids 36, which are arranged on ceramic supports 37, 38, which in turn rest on the support 16.
  • catalyst material 19 is applied, for example as a bed, as shown in Figure 10.
  • the catalyst material can also be applied to the grates 36 in monolithic form, for example.
  • the grates 36 have one latticed or otherwise perforated structure, which ensures that on the one hand the gas flow can happen, but on the other hand, the catalyst material is retained on the grates.
  • the grates 36 are preferably arranged with a certain distance from each other, so that the thermally induced changes in dimensions could be compensated.
  • the ceramic carriers 37 in the example shown have a cross-section with a double-T geometry.
  • the carrier 37 are formed in the example shown as a straight carrier.
  • the peripheral supports 38 may, for example, have a U-shaped cross-section, the base of the U resting against the inner wall of the reactor shell 17.
  • the edge-side carrier 38 may also be formed as a carrier with double-T geometry. In the schematic drawing of Figure 12, both variants are shown.
  • the peripheral supports 38 are preferably formed as segments and are adapted to the inner wall of the reactor shell 17 over a corresponding length.
  • FIG. 14 shows a longitudinal section through a further preferred embodiment of the reactor 10 according to the invention with a multipart installation element 35.
  • the multipart installation element consists of baskets 39 which lie directly on the linear supports 37 in double-T geometry and the peripheral supports 38 ,
  • the ceramic baskets 39 are filled with catalyst material 19 in the form of catalyst beds or monolith catalysts.
  • the baskets 39 of the multi-part mounting element have a perforated bottom 40 and optionally a precious metal net 41 on top of the baskets 39.
  • the precious metal network 41 is not provided.
  • a particular preferred application of the precious metal network is, for example, the nitric acid oxidation, where the network itself already serves as a catalyst and cause the catalysts in the baskets, so to speak, the purification of the reaction gas.
  • the baskets 39 are also designed in number and shape so as to completely fill the inner cross-section of the reactor with the corresponding clearance between the baskets. Since catalyst material 19 is only in the baskets 39, the gaps between the baskets 39 must be filled with a joint filling material 43, for example in the form of a high-temperature fiber mat, in order to prevent a bypass of the gas flow. Also, the edge-side gap between the baskets and the inner wall of the Raktormatels 17 is filled with a filling material 43, preferably with an insulating material.
  • the multi-part mounting element consists of both ceramic baskets 39, which are filled with catalyst material in the form of catalyst beds or monolith catalysts, as well as ceramic grids 36.
  • the baskets 39 rest on the grates 36, while the grates 36th , as in the variant of Figures 10 - 12 are supported by ceramic support 37, 38. In the gaps between the baskets 39, a high-temperature-resistant joint filling material 43 in the form of high-temperature fiber mats is again introduced.
  • the base area of the baskets 39 corresponds to the base area of the grates 36, but the respective base area can also be selected independently of one another, so that, for example, a basket 39 can extend over a plurality of grates 36.
  • the oxide ceramic carrier or carrier elements can have a wide variety of shapes. While in the previously described embodiments carriers 37 have been shown in double T-shape or carrier 38 in U-shape, FIGS. 15 and 16 show ceramic carriers 44 having a wavy profiled perforated structure. FIG. 15 shows a cross-sectional view with a grate 36 arranged on the carriers 44 and FIG. 16 a perspective view of the carrier 44 without a grate. In the illustrated example, each carrier 44 consists of a single shaft. By joining several carriers 44 at their longitudinal edges 45, the illustrated periodic structure is formed. In this way, large-area support structures for reactors on an industrial scale can be made easier. However, it is also possible to produce individual carriers 44, which consist of several wave trains.
  • the carriers 44 have openings 46 through which the gas of the gas phase reaction can flow.
  • An ammonia-air mixture (12.5% by volume of NH3, 87.5% by volume of air) is fed to the ammonia combustion furnace, in which, as shown in Figure 1, a one-piece mounting element is installed.
  • the basket has a clear diameter of 3.52 m.
  • the reactor is operated with an ammonia / air mixture throughput of 3650 Nm 3 / h and per m 2 of catalyst net area.
  • the inlet temperature of the ammonia-air mixture in the reactor is 28.4 ° C and the pressure before the platinum catalyst network in the reactor 1089 mbar (abs.).
  • the ammonia burns at temperatures of about 880 ° C. to the reaction product, which is then passed through the catalytically active charge contained in the basket and contains nitrogen monoxide as the main component and small amounts of nitrous oxide N 2 O ("nitrous oxide") 1000 ppm downstream of the platinum catalyst net, ie even before impacting the catalytically active filling in the basket.
  • the basket is followed by the basket, which contains a 150 mm high layer of unsupported catalyst strands, these strand rods having a star-shaped cross-section, 6 mm in diameter and 5 to 30 mm in length, consisting of a mixture of CuO, ZnO and Al 2 O 3.
  • the basket has a lateral boundary which is approximately 250 mm high.
  • sampling point 1 Directly after the platinum catalyst network (sampling point 1) and in the middle of the reactor downstream directly below the bottom of the basket (sampling point 2) and at the periphery of the reactor downstream directly below the outer edge region of the bottom of the basket (sampling point 3) samples of the Reaction product are removed and analyzed for nitrous oxide concentration by GC / MS method.
  • Another extraction point 4 is installed downstream of the basket and a downstream waste heat exchanger unit.
  • an ammonia-air mixture is reacted as described above, wherein a metallic basket of Inconel 600 (material number 2.4816) is used.
  • the catalytically active filling has a funnel-shaped depression in the form of a trench of 96 mm depth.
  • the height of the existing bed in the edge area above the ground is only 54 mm (before the beginning of the test it was 150 mm).
  • the measured nitrous oxide concentration at the sampling point 3 practically below the funnel-shaped depression is 676 ppm nitrous oxide
  • the measured nitrous oxide concentration is 186 ppm so that the average measured nitrous oxide concentration downstream of the metallic basket and the downstream downstream heat exchanger unit at the sampling point 4 is 227 ppm ,
  • the basket was made by infiltrating a Nextel TM 610 oxide ceramic fabric with a slip containing Al 2 O 3 and laminating it to a shape appropriate to the desired basket geometry. After drying at 100 ° C, the dried material was demolded and fired at 1250 ° C.
  • the edge region in the ceramic basket has only a small funnel-shaped depression in the form of a trench of 37 mm depth in the catalytically active filling whose height in the edge region of the ceramic basket is still 1 13 mm (before the start of the experiment 150 mm).
  • the measured nitrous oxide concentration at the sampling point 3 practically below the funnel-shaped depression is 316 ppm nitrous oxide, at the sampling point 2 the measured nitrous oxide concentration is 190 ppm so that the average measured nitrous oxide concentration downstream of the oxide ceramic basket and the downstream downstream heat exchanger unit at the sampling point 4 is 199 ppm ,
  • edge-sided ceramic support preferably U-profile, wall-adapted

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen, mit einem Einbauelement (11, 35) oder mehreren in Strömungsrichtung des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durch den Reaktor (10) hintereinander angeordneten Einbauelementen (11, 35), wobei sich die Einbauelemente über den gesamten Reaktorquerschnitt erstrecken, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das eine oder die mehreren Einbauelemente (11, 35) zumindest teilweise aus einem Faserverbundkeramikwerkstoff gebildet sind.

Description

Reaktor zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen sowie Verwendung des Reaktors
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen sowie eine Verwendung.
In Reaktoren zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen erreichen die Reaktionstemperaturen häufig Werte im Bereich von etwa 600 bis 1 .500 °C, insbesondere im Bereich von etwa 800 bis 1 .000 °C.
Um diese hohen Temperaturen vom Druckmantel des Reaktors fernzuhalten, wird der heterogene Katalysator, der häufig in Form einer Schüttung vorliegt, in Katalysatorkörben eingesetzt, die durch geeignete, am Reaktormantel angeordnete Auflager, Halterungen oder Konsolen getragen werden. Als Werkstoff für derartige Katalysatorkörbe werden in der Regel Metalllegierungen eingesetzt. Während des Reaktorbetriebes dehnt sich der Katalysatorkorb aus, wobei die lineare Ausdehnung für eine typischen Nickel-Chrom-Legierung, wie beispielsweise für die hochwarmfeste Legierung Inconel™ 600 (Werkstoff n um mer 2.4816) mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 18 - 20 x10-6 1/K, bei einer Reaktionstemperatur von 1 .000 °C und einem Reaktordurchmesser von 5 m etwa 80 - 90 mm beträgt. Durch diese Ausdehnung des metallischen Korbes senkt sich die Schüttung des heterogenen Katalysators im Randbereich des Korbes ab. Bei wiederholtem An- und Abfahren des Reaktors wiederholt sich der Aufheiz- und Abkühlzyklus, wodurch der Schüttungsgraben im Randbereich des Katalysatorkorbes immer weiter vertieft wird. Dies führt am äußeren Rand der Schüttung zu einem Bypass für den Gasstrom. Darüber hinaus kann die Schrumpfung des Korbs während der Abkühlung die Katalysatorpartikel zerdrücken. Je nach Anwendung müssen Ausbeuteverluste, erhöhter Durchbruch von Schadstoffen oder eine beschleunigte Katalysatoralterung in Kauf genommen werden. Ein weiterer Nachteil ist der Festigkeitsverlust der Metalllegierungen bei den hohen Reaktionstemperaturen. Hiervon ist hauptsächlich der Katalysatorrost betroffen, der das Gewicht der Schüttung trägt. Hiergegen kann Abhilfe geschaffen werden, indem der Rost auf gekühlte Flächen, beispielsweise auf Kühlrohren oder Rohrböden abgestürzt wird. Dadurch dehnen sich der Rost und der Katalysatorkorb jedoch unterschiedlich stark aus, so dass sich die Einbauten verziehen oder auch reißen können. Dies führt zu reduzierten Reaktorstandzeiten mit entsprechenden wirtschaftlichen Nachteilen.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, einen Reaktor zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen bei hohen Reaktionstemperaturen zur Verfügung zu stellen, der die oben beschriebenen Nachteile weitgehend überwindet.
Dieses technische Problem wird gelöst durch den Reaktor mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 . Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Reaktors sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche. Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Reaktor zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen, mit einem Einbauelement oder mehreren in Strömungsrichtung des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durch den Reaktor hintereinander angeordneten Einbauelementen, wobei sich die Einbauelemente über den gesamten Reaktorquerschnitt erstrecken. Der erfindungsgemäße Reaktor ist dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Einbauelemente zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Faserverbundkeramikwerkstoff gebildet sind.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Einbauelementen um Einbauelemente zur Aufnahme eines heterogenen Katalysators. Die Einbauelemente können zusätzlich aber auch Leerelemente umfassen, die nicht vom Reaktionsgas durchströmt werden und daher üblicherweise auch kein Katalysatormaterial enthalten. Bei diesen Leerelementen kann es sich um sog. Dummykörper handeln, die anstelle von katalysatorenthaltenden Einbauelementen eingebaut werden können, beispielsweise wenn der Reaktor mit Minderlast gefahren wird. Die Dummykörper müssen so ausgebildet sein, dass ein Bypass von Reaktionsgasen verhindert wird. Vorzugsweise sind die Dummykörper daher als Platten oder Kästen ausgebildet. Die erfindungsgemäß vorgesehene Verwendung von Einbauelementen aus Faserverbundkeramikwerkstoffen gewährleistet, dass die Einbauelemente eine reduzierte thermische Ausdehnung und eine erhöhte Hochtemperaturfestigkeit aufweisen, so dass die oben beschriebene Probleme bei der Verwendung von Einbauten aus Metalllegierungen nicht oder nur in wesentlich geringerem Ausmaß auftreten.
Einzelne Komponenten der Einbauelemente, insbesondere solche, die für das thermische Ausdehnungsverhalten unkritisch sind, können auch aus anderen Materialien als dem Faserverbundkeramikwerkstoff gebildet sein, wie beispielsweise Gitter oder Netze, insbesondere wenn sie nicht fest mit der Grundstruktur der Einbauten verbunden sind. Besonders vorteilhaft sind die Einbauelemente nahezu vollständig, besonders bevorzug vollständig aus einem Faserverbundkeramikwerkstoff gebildet.
Der Faserverbundkeramikwerkstoff ist insbesondere aus einer keramischen Matrix gebildet, in die keramische Fasern eingebettet sind.
Die erfindungsgemäß verwendeten Faserverbundkeramikwerkstoffe sind charakterisiert durch keramische Fasern, insbesondere Langfasern, die als Wickelkörper oder als Textil in einer Matrix aus keramischen Partikeln eingebettet sind. Es wird von faserverstärkter Keramik, Verbundkeramik oder auch einfach Faserkeramik gesprochen. Matrix und Faser können dabei im Prinzip aus allen bekannten keramischen Werkstoffen bestehen, wobei in diesem Zusammenhang auch Kohlenstoff als keramischer Werkstoff verstanden wird.
Als Fasern kommen Verstärkungsfasern in Frage, die in die Klassen oxidische, carbidi- sche, nitridische Fasern bzw. C-Fasern und SiBCN-Fasern fallen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Fasern des keramischen Verbundwerkstoffes Aluminiumoxid-, Mullit-, Siliziumcarbid-, Zirkonoxid- und/oder Kohlenstoff-Fasern sind. Mullit besteht dabei aus Mischkristallen aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid. Bevorzugt ist die Verwendung von Fasern aus Oxidkeramik (AI2O3, S1O2, Mullit) oder aus Nichtoxidkeramik (C, SiC). Bevorzugt sind die keramische Matrix und/oder die keramischen Fasern aus einer Oxidkeramik gebildet. Ganz besonders bevorzugt bestehen die Einbauelemente aus oxidkeramischen Fasern, die in eine oxidkermamische Matrix eingebettet sind. Derartige oxidkeramische Systeme sind chemisch besonders stabil und langlebig und können daher in anspruchsvollen, insbesondere korrosiven Reaktionsumgebungen eingesetzt werden. Ein derartiges oxidkeramisches System kann auch Mischungen unterschiedlicher oxidkeramischer Fasern enthalten.
Es kommen vorteilhaft kriechbeständige Fasern zum Einsatz, d. h. Fasern, die im Kriechbereich - im Temperaturbereich bis 1400°C - keine oder nur eine minimale zeitliche Zunahme der bleibenden Verformung, also der Kriechdehnung zeigen. Die Firma 3M gibt für die NEXTEL™-Fasern folgende Grenztemperaturen an für die bleibende Dehnung von 1 % nach 1000h unter Zugbelastung von 70 MPa an: NEXTEL™ 440: 875°C, NEXTEL™ 550 und NEXTEL™ 610: 1010°C, NEXTEL™ 720: 1 120°C an (Referenz: Nextel™ Ceramic Textiles Technical Notebook, 3M, 2004). Chemisch sind die Fasern durch eine hohe Zeitstandfestigkeit dahingehend zu charakterisieren, dass die Festigkeit insbesondere unter atmosphärischer Luft bei hohen Betriebstemperaturen gewährleistet ist. Die Fasern haben vorteilhaft einen Durchmesser zwischen 10 und 12μηη. Sie sind vorteilhaft miteinander - üblicherweise mit Leinwand- oder Satinbindung - zu Textilbahnen verwoben, zu Schläuchen gestrickt oder als Faserbündel um eine Form gewickelt. Zur Herstellung des keramischen Verbundsystems werden die Faserbündel oder -gewebe beispielsweise mit einem Schlicker, der die Komponenten der späteren keramischen Matrix, vorteilhaft AI2O3 oder Mullit, enthält, infiltriert (siehe beispielsweise Schmücker, M. (2007): "Faserverstärkte oxidkeramische Werkstoffe", Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 38(9), 698-704). Durch Wärmebehandlung bei > 700°C entsteht schließlich eine hochfeste Verbundstruktur aus den Keramikfasern und der keramischen Matrix mit einer Zugfestigkeit von vorteilhaft > 50 MPa, bevorzugt > 70 MPa, weiter bevorzugt > 100 MPa, insbesondere > 120 MPa.
Bevorzugter Weise wird als keramischer Faserverbundwerkstoff SiC/SiC, C/C, C/SiC, AI2O3/AI2O3 und/oder Mullit/Mullit eingesetzt. Dabei bezeichnet das Material vor dem Schrägstrich den Fasertyp und das Material nach dem Schrägstrich den Matrixtyp. Als Matrixsystem für die keramische Faserverbundstruktur können auch Siloxane, Si- Precursoren und unterschiedlichste Oxide, wie zum Beispiel auch Zirkonoxid, eingesetzt werden. In der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt Faserverbundwerkstoffe auf der Basis oxidkeramischer Fasern, beispielsweise 3M™ NEXTEL™ 312, NEXTEL™ 440, NEXTEL™ 550, NEXTEL™ 610 oder NEXTEL™ 720 eingesetzt. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von NEXTEL 720. NEXTEL 720 ist für eine Dauereinsatztemperatur von 1370°C ausgelegt. Der Ausdehnungskoeffizient liegt bei 6,0 x10"6 /K. Beispielsweise kann NEXTEL™ 720 in Form von Textilmatteneingesetzt werden.
Die Matrix weist einen Füllgrad an Fasern (Volumenanteil der Fasern in der Verbund struktur) von 20 bis 40% auf, der gesamte Feststoffgehalt der Verbundstruktur beträgt zwischen 50 und 80%. Faserverbundkeramiken auf Basis oxidischer keramischer Fasern sind chemisch beständig in oxidierender und in reduzierender Gasatmosphäre (d.h. keine Gewichtsänderung nach Lagerung in Luft bei 1200°C über 15h (Referenz: Nextel™ Ceramic Textiles Technical Notebook, 3M, 2004)) und thermisch beständig bis über 1300°C. Faserverbundkeramiken besitzen ein quasi duktiles Verformungsverhalten. Damit sind die Faserverbundwerkstoffe nach DIN EN 993-1 1 temperaturwechselbeständig und besitzen ein quasi zähes Bruchverhalten. So kündigt sich das Versagen eines Bauteils an, bevor es bricht.
Der Faserverbundwerkstoff, insbesondere der oxidkeramische Faserverbundwerkstoff, weist folgende vorteilhaften Eigenschaften auf:
Der Faserverbundwerkstoff weist vorteilhaft eine Porosität von 20% bis 50% auf; sie ist demnach nicht gasdicht gemäß Definition in DIN 623-2. Der Faserverbundwerkstoff weist vorteilhaft eine maximale Dauereinsatztemperatur von 1000 bis 1500°C, bevorzugt 1 100 bis 1400°C, insbesondere 1200 bis 1300°C auf.
Der Faserverbundwerkstoff weist vorteilhaft eine Festigkeit von 50 bis 130 [MPa], bevorzugt 70 bis 120 [MPa], insbesondere 80 bis 100 [MPa], auf. Der Faserverbundwerkstoff weist vorteilhaft eine Streckgrenze elastischer Verformung von 0,2 bis 1 % auf. Der Faserverbundwerkstoff ist vorteilhaft bei den vorgesehen Einsatztemperaturen temperaturwechselbeständig im Sinne einer Prüfung nach DIN EN 993-1 1 .
Der Faserverbundwerkstoff weist vorteilhaft einen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizient von 3 bis 12 x10"6/K, besonders bevorzugt von 5 bis 8 x10-6/K, auf.
Der Faserverbundwerkstoff weist vorteilhaft eine thermische Leitfähigkeit [W/m/K] von 0,5 bis 30, bevorzugt von 2 bis 5, auf. Der Faserverbundkeramikwerkstoff kann durch CVI-Verfahren (Chemical Vapour Infiltration), Pyrolyse, insbesondere LPI-Verfahren (Liquid Polymer Infiltration), durch chemische Reaktion wie LSI-Verfahren (Liquid Silicon Infiltration), oder nach dem WHIPOX™-Verfahren (Wound Highly Porous Oxide Composite) hergestellt werden. Insbesondere die oxidischen Faserverbundkeramikwerkstoffe weisen die folgenden, für den erfindungsgemäßen Einsatz vorteilhaften Eigenschaften auf: einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (für Mullit ca. 4 x10"6/K, für Aluminiumoxid ca. 8 x10"6/K, dagegen für Edelstahl 1 .4841 15 x10"6/K); - ein niedriges spezifisches Gewicht (Mullit ca. 2 g/ml gegenüber ca. 8 g/l für
Edelstahl 1 .4841 );
- Kriechfestigkeit bis 1 .300 °C;
chemische Beständigkeit (keine Blindreaktionen, keine Korrosion);
aufgrund der spezifischen Fertigungsverfahren sind Bauteile aus oxidischen Faserverbundkeramikwerkstoffen auch in komplexen Geometrien in einfacher
Weise herstellbar.
Der erfindungsgemäße Reaktor ist zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen bei Reaktionstemperaturen zwischen 600 und 1 .500 °C, vorzugsweise auch bei Reaktionstemperaturen zwischen 800 und 1 .000 °C ausgelegt. Dabei wird unter Reaktionstemperatur vorliegend die maximale Temperatur verstanden, die im Reaktor während der Durchführung der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion erreicht wird. Der erfindungsgemäße Reaktor weist ein oder mehrere hintereinander in Strömungsrichtung des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durch den Reaktor angeordnete Einbauelemente zur Aufnahme des heterogenen Katalysators, der insbesondere als Schüttung oder als Monolith vorliegen kann, auf. Diese erstrecken sich jeweils, gegebenenfalls in Verbindung mit Dummykörpern, über den gesamten Reaktorquerschnitt.
Das Katalysatormaterial kann in jedem Einbauelement in ein oder mehreren Lagen angeordnet sein, beispielsweise in Katalysatorlagen mit unterschiedlicher katalytischer Aktivität. Bei Schüttungskatalysatoren können die Lagen gegebenenfalls durch eine flächige Anordnung von Netzen voneinander getrennt sein. Beim Einsatz von Monolithen können unterschiedliche Monolithe übereinander angeordnet werden.
Bei dem Reaktor handelt es sich bevorzugt um einen Reaktor für zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen im industriellen Maßstab. Vorzugsweise hat der Reaktor daher in den Bereichen, in denen das eine Einbauelement angeordnet ist oder in denen die mehreren Einbauelemente angeordnet sind, einen Reaktorquerschnitt, der größer als 0,25 m2, besonders bevorzugt größer als 1 m2 ist.
Bevorzugt liegt der maximale Reaktorquerschnitt im Bereich zwischen 5 und 50 m2, insbesondere zwischen 10 und 30 m2.
Der erfindungsgemäße Reaktor kann einen beliebigen Reaktorquerschnitt aufweisen, beispielsweise einen kreisförmigen, einen elliptischen oder einen polygonalen Querschnitt. Vorzugsweise weist der Reaktor einen kreisförmigen oder annährend kreisförmigen Reaktorquerschnitt auf, so dass der der Reaktor bevorzugt eine insgesamt zylindrische, beispielsweise auch flachzylindrische, Bauform aufweist, d.h. der Reaktor weist in diesem Fall einen im Wesentlichen zylindrischen Reaktormantel auf, was insbesondere für druckbelastete Reaktormäntel vorteilhaft ist. In einer Ausführungsform ist das eine oder sind die mehreren in Strömungsrichtung des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion hintereinander im Reaktor angeordneten Einbauelemente jeweils als einteilige Einbauelemente ausgebildet. "Einteilig" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass sich ein Einbauelement über den gesamten Innenquerschnitt des Reaktors erstreckt und nicht weiter in einzelne, nebeneinander angeordnete Einbauelemente unterteilt ist. Der Begriff „einteiliges Einbauelement" ist jedoch nicht auf einstückige Einbauelemente beschränkt, sondern im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein „einteiliges Einbauelement" aus mehreren Komponenten bestehen.
Das einteilige Bauelement ist bevorzugt als einteiliger Korb mit einer geschlossenen vertikalen Seitenwand und einem perforierten Boden ausgebildet. Dabei weisen die Perforationen des Bodens bevorzugt ein Öffnungsverhältnis von 30 bis 80%, bevorzugt von 40 bis 60% auf. Der Boden kann fest in den Korb integriert oder auch als loser Boden ausgebildet sein.
In der bevorzugten Ausführungsform, in der der Reaktor eine zylindrische Bauform aufweist, ist die Seitenwand des einteiligen Korbes ebenfalls ein Zylindermantel. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die zylindrische geschlossene vertikale Seitenwand an ihrem oberen Ende nach außen zu einer horizontalen, tragenden Ringscheibe abgewinkelt. Dies ermöglicht in einfacher Weise die Positionierung des einteiligen Korbes auf einem Auflager. Das Auflager ist bevorzugt als ringförmige, an der Innenwand des Reaktormantels befestigte, insbesondere am Reaktormantel angeschweißte Konsole ausgebildet. Als Werkstoff für das Auflager werden Hochtemperaturwerkstoffe eingesetzt, insbesondere hochtemperaturbeständige Stähle. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Auflager ein in den Reaktormantel integrierter Lagerabschnitt ausgebildet ist. Der Lagerabschnitt umfasst eine vertikale Seitenwand und eine horizontale ringförmige, in das Innere des Reaktors vorspringende Nase. Vorteilhaft ist der Lagerabschnitt als rotationsymmetrisches Bauteil ausgebildet, das durch Drehen oder Fräsen herstellbar ist. Der Lagerabschnitt des Mantels ist insbesondere in den Reaktormantel einschweißbar. Vorteilhaft kann der Lagerabschnitt auch einen integrierten Flansch aufweisen.
Zwischen der horizontal abgewinkelten Ringscheibe am oberen Ende der vertikalen Seitenwand und dem Auflager ist vorteilhaft eine Dichtung vorgesehen. Dadurch wird ein unerwünschter Bypass des Reaktionsgasgemisches verhindert. Darüber hinaus wird eine thermische Isolierung des Korbes gegenüber der Reaktorwand erreicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Dichtung aus hochtemperaturbeständigen mineralischen Fasermaterialen gebildet, beispielsweise Faserschnüren, ein- oder mehrlagigen Faserbänder oder ein- oder mehrlagigen Fasermatten. Typischerweise bestehen die Faser aus Erdalkalisilikaten oder Aluminiumsilikaten. Besonders bevorzugt werden Fasermatten oder Faserquellmatten oder -bänder als Dichtungsmaterial verwendet, wie sie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO/2014/125023 der Anmelderin beschrieben sind.
Faserquellmatten sind flächige Einlagen, die bei Temperaturerhöhungen expandieren (aufquellen). Faserquellmatten sind in der Regel aus Silikaten, z. B. Aluminiumsilikatfasern, einem Blähglimmer, z. B. Vermiculit, und einem organischen Bindemittel zusammengesetzt.
Fasermatten und Faserquellmatten werden z. B. von der Firma 3M unter der Markenbezeichnung INTERAM® vertrieben.
Derartige Fasermatten oder Faserquellmatten sind flächenförmige Gebilde mit einer Dicke im Bereich von ca. 3 bis 20 mm, bevorzugt in einem Bereich von ca. 5 bis 10 mm. Breite und Länge der Faserquellmatten sind fertigungstechnisch bedingt, und liegen jeweils in einem Bereich von ca. 0,5 bis 5 m. Ein typisches Maß für Faserquellmatten beträgt 1 ,20 m x 4 m. Faserquellmatten sind in der Regel aus Silikaten, vorzugsweise in Faserform, z. B. Aluminiumsilikat, einem Blähglimmer, d. h. einem Material, das bei Temperaturerhöhung expandiert, z. B. dem nicht-toxischen Vermiculit, und einem organischen Bindemittel zusammengesetzt. Derartige Faserquellmatten werden beispielsweise von der Firma 3M unter der Markenbezeichnung INTERAM® vertrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das organische Bindemittel in Form von organischen Polymerfasern vor, insbesondere in Form von organischen Polymerfasern mit zwei oder mehreren Schmelzbereichen. Faserquellmatten enthaltend Silikatfasern, einen Blähglimmer und organische Polymerfasern sind besonders vorteilhaft, das sie federnde Eigenschaften aufweisen, und damit eine ausgezeichnete Abdichtung durch Verspannung zwischen den Bauteilen, zwischen denen Hohlräume zu überbrücken sind, gewährleisten: Bei Temperaturerhöhung, sobald der erste oder einzige Schmelzbereich erreicht ist, beginnen die organischen Polymerfasern zu schmelzen, und vernetzen (verkleben) die in Faserform vorliegenden Silikate. Die Silikatfasern bilden dadurch ein Fasergerüst mit Hohlräumen aus, in denen der Blähglimmer eingelagert ist. Bei erhöhter Temperatur bringt der Blähglimmer auf das Fasergerüst eine Spannung auf, und dehnt dieses auf. Wenn die Temperatur wieder fällt, verringert der Blähglimmer sein Volumen, das Fasergerüst hält jedoch die Spannung weitergehend weiter.
Bevorzugt werden die Faserquellmatten allseitig in eine Folie aus einem Kunststoff eingehüllt, Nachdem die Faserquellmatte in die Kunststofffolie eingehüllt ist, wird der von der Kunststofffolie umschlossene und die Faserquellmatte enthaltende Innenraum vakuumiert. Durch das Entvakuumieren dehnt sich die Faserquellmatte bis auf das Doppelte ihrer Dicke im vakuumiertem Zustand aus. Dadurch ist es möglich, die für den Zusammenbau vorgesehenen Bauteile lose, mit Spiel, ohne Aufbringung von Kräften, zusammenzusetzen, wobei dennoch gewährleistet ist, dass die sich beim Entvakuumieren ausdehnende Faserquellmatte die Bauteile sicher fixiert. Der die Faserquellmatte enthaltende Innenraum kann in einfacher Weise entvakuumiert werden, indem die Kunststofffolie angestochen oder angeschnitten wird. Zusätzlich oder alternativ kann der von der Kunststofffolie umschlossene und die Faserquellmatte enthaltende Innenraum entvakuumiert werden, indem die Faserquellmatte einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, bei der die Kunststofffolie verbrennt. Bevorzugt werden die einzelnen, vakuumierten Faserquellmatten mit rechteckigem Stufenfalz bzw. in rechteckigem Nut-Feder-System aneinandergereiht, so dass die Dichtigkeit der Verbindung gewährleistet ist. In der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors ist der Faserverbundkeramikwerkstoff für das eine oder die mehreren einteiligen Einbauelemente, beispielsweise für den einteiligen Korb, so ausgewählt, dass das Einbauelement selbsttragend ist. Unter selbsttragend ist zu verstehen, dass das oxidkeramische Einbauelement in seiner Struktur die mechanischen Belastungen (Gewicht der Schüttung, Eigengewicht, Kraft durch Druckverlust) unter Betriebsbedingungen selbst stemmen kann ohne Hilfsunterstützungen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das eine oder die mehreren hintereinander in Strömungsrichtung des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durch den Reaktor angeordneten Einbauelemente mehrteilig ausgebildet. Als "mehrteiliges Einbauelement" versteht man im vorliegenden Zusammenhang ein Einbauelement, das aus mehreren gleichartigen oder ähnlichen einzelnen Einbauteilen besteht die nebeneinander im Reaktor angeordnet sind und gemeinsam im Wesentlichen den Innenquerschnitt des Reaktors ausfüllen. Jedes Einbauteil dieser mehrteiligen Einbauelemente kann selbst wieder einstückig sein oder aus mehreren Komponenten bestehen.
Die in Strömungsrichtung des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion hintereinander angeordneten einen oder mehreren, mehrteiligen Einbauelemente können mehrere, insbesondere drei, vier oder mehr Roste umfassen. Die Roste sind vorzugsweise lose nebeneinander auf Trägern positioniert.
Alternativ oder zusätzlich zu den Rosten können die mehrteiligen Einbauelemente mehrere, insbesondere drei, vier oder mehr einzelne Körbe umfassen, wobei die Körbe jeweils eigenen Seitenwänden und perforierte Böden aufweisen. Die Körbe sind vorzugsweise lose nebeneinander direkt auf Trägern oder auf über den Trägern angeordneten Rosten positioniert Die einzelnen Körbe sind bevorzugt gegeneinander und gegen die Innenwand des Reaktormantels abgedichtet, insbesondere mittels den oben beschriebenen Fasermatten oder eines anderen geeigneten Fugenfüllmaterials.
Im vorliegenden Zusammenhang sind "Roste" flächige perforierte Platten oder Gitter auf den entweder Katalysatormaterial direkt als Schüttung oder als Monolithe angeordnet werden kann oder die als Unterlage für Körbe dienen. Die Roste sind für Gas durchlässig und ansonsten so gestaltet dass das Katalysatormaterial oder die Körbe sicher getragen werden. "Körbe" im Sinne der vorliegenden Erfindung weisen ebenfalls einen gasdurchlässigen Boden auf und können ebenfalls mit Katalysatormaterial als Schüttung oder als Monolithe gefüllte werden. Im Gegensatz zu Rosten weisen Körbe außerdem eine nach oben ragende Seitenwand auf, die das Katalysatormaterial seitlich begrenzt. Auch in den Körben oder auf den Rösten können wieder, wie oben beschrieben, mehre Katalysatorlagen angeordnet werden, beispielsweise Katalysatorlagen mit unterschiedlicher Aktivität. Die Trägeranordnung auf denen die einzelnen Körbe und/oder einzelnen Roste jeweils nebeneinander angeordnet sind, müssen durch das Gasgemisch der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durchströmt werden können. Die kann dadurch gewährleistet werden, dass mehre Träger, beispielsweise stabförmige Träger, vorgesehen sind, die in einem Abstand zueinander angeordnet werden und/oder dass die Träger perforiert sind, insbesondere werden flächigen Trägern vorzugsweise Perforationen für den Gasdurchtritt aufweisen.
Die Träger und die mehrteiligen Einbauten bestehen vorzugsweise aus ganz oder teilweise aus Faserkeramikverbundwerkstoffen. In diesem Fall kann man die Träger als geometrisch und herstellungstechnisch einfache Bauteile ausbilden, die auf hohe Festigkeit optimiert sind. Als Träger werden insbesondere T-Träger, Doppel-T-Träger oder profilierte, insbesondere gewellte, perforierte Elemente eingesetzt. Die mehrteiligen Einbauten wie Roste und Körbe werden von den Trägern getragen und können als komplexe Bauteile ausgebildet sein, beispielsweise als Bauteile mit feiner Gitterstruktur im Boden, die keinen Druckverlust beim Gasdurchtritt verursacht. Da die mehrteiligen Einbauten von den stabilen Trägern getragen werden, kann die Festigkeit der Einbauten zugunsten ihrer Komplexität verringert sein.
In der Ausführungsform mit mehrteilig ausgebildeten Einbauelementen, die auf Trägern angeordnet sind, sind bevorzugt sowohl die mehrteiligen Einbauelemente als auch die Träger aus Faserverbundkeramikwerkstoffen gebildet. Vorteilhaft wird hierbei ein Faserverbundwerkstoff für die Träger mit höherer Festigkeit gegenüber dem Faserverbundkeramikwerkstoff für die Einbauelemente ausgewählt. Bei dieser Ausführungsform ist es also möglich, für die Träger, die eine einfachere Geometrie gegenüber den Einbauelementen aufweisen, längere Fasern in die Matrix einzubetten und dadurch eine höhere Festigkeit des Faserverbundkeramikwerkstoffes zu erreichen gegenüber dem Material für die Einbauelemente, deren Geometrie in der Regel komplexer ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei, drei oder mehrere Einbauelemente vorgesehen, die im Reaktor hintereinander vom Gasgemisch der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durchströmbar angeordnet sind.
Bei dieser Ausführungsform können zwischen den einzelnen Einbauelementen jeweils Zusatzeinspeisungen sowie Einmischvorrichtungen für Zusatzgas vorgesehen sein.
Bei der vorstehenden Ausführungsform mit zwei, drei oder mehreren hintereinander angeordneten Einbauelementen kann der Reaktor vorteilhaft eine konische Geometrie aufweisen; diese Reaktorgeometrie hat insbesondere auch den Vorteil, dass Auflager am Reaktorinnenmantel beim Austausch einzelner Einbauelemente nicht stören, sodass derselbe einfacher durchführbar ist. Zu den bevorzugten Anwendungsbereichen des erfindungsgemäßen Reaktors gehören die Verwendung als Verbrennungsofen oder Brennkammer, wie beispielsweise zur vollständigen Oxidation/Verbrennung organischer Verbindungen, als Reaktor zur Partialoxidation von organischen Verbindungen, wie beispielsweise zur Herstellung von Formaldehyd aus der Oxidation von Methanol, als Reaktor zur Synthesegasherstellung, insbesondere durch partielle Oxidation oder autotherme Reformierung von Erdgas oder durch umgekehrte Wasser-Gas-Shiftreaktion, als Reaktor zur Ammoniakoxidation, also zur partielle Oxidation im Beisein von Ammoniak wie beispielsweise zur Herstellung von Acrylnitril aus Propylen und/oder Acrolein oder Methacrylnitril aus iso-Buten und/oder Methacrolein, als Reaktor zur Dehydrierung, insbesondere zur oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise zur Herstellung von Propen aus Propan, als Reaktor zur Oxidation anorganischer Verbindungen, wie beispielsweise zur S02-Oxidation oder zur Herstellung von Salpetersäure durch Oxidation von Ammoniak, oder als Reaktor zur Abgasreinigung, wie beispielsweise zur IS O-Zersetzung und katalytischen Nachverbrennung oder zur Rauchgasreinigung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Reaktors mit einer ersten Variante eines einteiligen
Einbauelements;
Figur 2 eine der Figur 1 entsprechende Ansicht einer zweiten Variante eines
einteiligen Einbauelements;
Figur 3 eine der Figur 1 entsprechende Ansicht einer dritten Variante eines
einteiligen Einbauelements;
Figur 4 ein Detail der Figur 3;
Figur 5 eine der Figur 1 entsprechende Ansicht einer vierten Variante eines
einteiligen Einbauelements;
Figur 6 eine der Figur 1 entsprechende Ansicht einer fünften Variante eines
einteiligen Einbauelements;
Figur 7 eine der Figur 1 entsprechende Ansicht einer sechsten Variante eines einteiligen Einbauelements;
Figur 8 eine der Figur 1 entsprechende Ansicht einer siebten Variante eines
einteiligen Einbauelements;
Figur 9 einen Längsschnitt durch einen konischen Reaktor mit drei hintereinander angeordneten einteiligen Einbauelementen;
Figur 10 einen schematischen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Reaktors mit einem mehrteiligen Einbauelement;
Figur 1 1 eine Schnitt entlang der Linie A-A der Figur 10;
Figur 12 eine Schnitt entlang der Linie B-B der Figur 10;
Figur 13 eine der Figur 10 entsprechende Ansicht einer zweiten Variante eines mehrteiligen Einbauelements;
Figur 14 eine der Figur 10 entsprechende Ansicht einer dritten Variante eines
mehrteiligen Einbauelements; Figur 15 eine Variante eines Trägers für mehrteilige Einbauelemente im
Längsschnitt; und
Figur 16 eine perspektivische Ansicht des Trägers der Figur 15.
In den Figuren werden in den unterschiedlichen Ausführungsformen Bauelemente, welche jeweils die gleiche oder eine entsprechende Funktion erfüllen, mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines Reaktors 10, in welchem ein einteiliges Einbauelement 1 1 angeordnet ist. Im dargestellten Beispiel ist das einteilige Bauelement 1 1 als Korb 12 ausgebildet, der seitlich von einer vertikalen Seitenwand 13 und an der Unterseite von einem perforierten Boden 14 begrenzt ist. Die vertikale Seitenwand 13 des Korbes 12 geht in der Oberseite in eine nach außen horizontal abgewinkelte Ringscheibe 15 über, die auf einem Auflager 16 aufliegt, das mit der Wand 17 des Reaktors 10 verbunden ist, beispielsweise durch Verschweißen. Die Ringscheibe 15 des Korbs 12 ist gegen das Auflager mittels einer Dichtung 18 abgedichtet. In dem Korb 12 befindet sich Katalysatormaterial 19, das beispielsweise als Schüttung aus Katalysatorpartikeln oder auch als monolithischer Katalysator ausgebildet sein kann. Der Korb 12 kann an seiner Oberseite mit einem Edelmetallnetz 20 abgedeckt sein. Der Pfeil 21 verdeutlicht die Strömungsrichtung des Gasstroms der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durch den Reaktor 10.
Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors ist zusätzlich oberhalb der horizontal abgewinkelten Ringscheibe 15 ein Beschwerungselement 22, beispielsweise ein oder mehrere Abdeckklötze oder ein umlaufender Abdeckring, vorgesehen, um die sichere Positionierung des Edelmetallnetzes und der Katalysatorschüttung zu gewährleisten.
Das Auflager 16 befindet sich in einem thermisch besonders beanspruchten Bereich des Reaktors 10, da in diesem Bereich auch die heterogen katalysierte Gasphasenreaktion abläuft. Daher ist die zuverlässige Befestigung des Auflagers 16 an der Innenwand des Reaktormantels 17 technologisch anspruchsvoll. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform wird dieses Problem dadurch gelöst, dass der Reaktormantel 17 mehrteilig ausgebildet ist und einen Lagerabschnitt 23 aufweist, weicher auf Höhe des Einbauelements 1 1 in den Reaktormantel 17 eingesetzt und mit dem übrigen Reaktormantel über Schweißverbindungen 24 verbunden ist. Der Lagerabschnitt 23 des Reaktormantels 17 weist eine Seitenwand 25 und eine einstückig mit der Seitenwand 25 ausgebildete, nach innen vorspringende, ringförmige Nase 26 auf, welche das Auflager für das Einbauelement bildet. Die Seitenwand 25 erstreckt sich oberhalb und unterhalb der ringförmigen Nase 26 vertikal und bildet somit einen Teil des Reaktormantels. Der Lagerabschnitt 23 mit seiner nach innen vorspringenden Nase 26 kann als gedrehtes oder gefrästes Werkstück ausgebildet sein. Zur Verdeutlichung ist das den Lagerabschnitt 23 bildende Werkstück in Figur 4 nochmals isoliert dargestellt. Da sich die Schweißverbindungen 24 nun in einem größeren Abstand von dem thermisch besonders belasteten Bereich in der Nähe des Korbs 12 befinden, können Hochtemperaturprobleme bei der Befestigung des Auflagers bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform einfacher vermieden werden.
In Figur 5 ist eine vierte Variante eines Reaktors mit einteiligem Einbauelement dargestellt. Das Einbauelement 1 1 ist wieder als Korb 12 ausgebildet, im Gegensatz zu den Varianten der Figuren 1 -3 ist die vertikale Seitenwand 13 an ihrem oberen Ende jedoch nicht horizontal zu einer Ringscheibe abgewinkelt, um den Korb 12 auf dem Auflager 16 einzuhängen, sondern der Korb 12 sitzt insgesamt, wieder über einen dazwischen angeordneten Dichtungsring 18, auf dem Auflager 16 auf.
Der Längsschnitt der Figur 6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines als Korb 12 ausgebildeten einteiligen Einbauelements 1 1 , wobei zwischen der Seitenwand 13 des Korbs 12 und dem Auflager 16 ein Isolierelement 27 aus Hochtemperaturkeramik vorgesehen ist, das die Wand des Reaktormantels 17, insbesondere die Seitenwand 25 des Lagerabschnitts 23, thermisch schützt. Im dargestellten Beispiel ist das Auflager 16 als Teil eines gedrehten Lagerabschnitts 23 dargestellt, wie dies im Zusammenhang mit Figur 3 näher beschrieben wurde. Selbstverständlich kann ein solches Isolierelement aber auch mit Auflagern 16 verwendet werden, wie sie in den Figuren 1 , 2 und 5 dargestellt worden sind. Figur 7 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform mit einteiligem Einbauelement 1 1 , wobei der Mantel 17 des Reaktors 10 wieder mehrteilig ausgebildet ist. In den thermisch weniger belasteten oberen und unteren Abschnitten 28, 29 des Reaktormantels besteht der Reaktormantel aus preiswertem Normalstahl. Im Bereich des Einbauelementes 1 1 besteht der Reaktormantel 17 aus einem Zwischenring 30 aus Hochtemperaturstahl. Im dargestellten Beispiel weisen die oberen und unteren Mantelabschnitte 28, 29 Verbindungsflansche 31 , 32 auf, zwischen denen der Zwischenring über Dichtungselemente 33 eingepresst wird. In diesen Bereichen kann der Reaktor 10 zu Wartungszwecken auch einfach zerlegt werden.
Eine weitere Verbesserung der Variante der Figur 7 ist in Figur 8 dargestellt, bei der außerdem eine Schweißlippendichtung 34 im Bereich des aus Hochtemperaturstahl gebildeten Zwischenrings 30 des Reaktormantels 17 vorgesehen ist. Figur 9 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen Reaktor 10. Bei dieser Variante sind beispielhaft drei, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete und als Körbe 12 ausgebildete einteilige Einbauelemente 1 1 in dem Reaktor 10 angeordnet, wie sie auch im Zusammenhang mit der Variante der Figur 1 schon näher beschrieben worden sind. Im dargestellten Beispiel verjüngt sich der Reaktormantel 17 von oben nach unten, so dass die einzelnen Körbe 12 trotz der fest mit dem Reaktormantel 17 verbunden Auflager 16 leicht durch eine (nicht dargestellte) obere Montageöffnung des Reaktors 10 entnommen werden können. Zwischen den einzelnen Einbauelementen E können in der Figur 9 nicht dargestellte Einrichtungen zur Eindüsung von Zwischengas, Abzugseinrichtung oder Mischeinrichtungen vorgesehen sein.
Figur 10 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors 10 mit einem Einbauelement. In dieser Variante ist das Einbauelement als mehrteiliges Einbauelement 35 ausgebildet. Die einzelnen Teile des mehrteiligen Einbauelements 35 werden durch Roste 36 gebildet, die auf keramischen Trägern 37, 38 angeordnet sind, die wiederum auf dem Auflager 16 aufliegen. Auf die Roste 36 wird Katalysatormaterial 19 aufgebracht, beispielsweise als Schüttung, wie in Figur 10 dargestellt. Das Katalysatormaterial kann aber auch beispielsweise in monolithischer Form auf die Roste 36 aufgebracht werden. Die Roste 36 haben eine gitterartige oder anderweitig perforierte Struktur, die dafür sorgt, dass einerseits der Gasstrom der passieren kann, dass aber andererseits das Katalysatormaterial auf den Rosten zurückgehalten wird. Die Roste 36 werden vorzugsweise mit einem gewissen Abstand zueinander angeordnet, so das thermisch bedingte Änderungen der Abmessungen kompensiert werden könne.
Der in Figur 1 1 dargestellte Schnitt entlang der Line A-A aus Figur 10 verdeutlicht die Anordnung der Roste 36 in horizontaler Ebene im Reaktor 10. Die Form und Anzahl der Roste 36 unterliegt dabei keine Einschränkungen, ist aber so gewählt, dass der Innenquerschnitt des Reaktors 1 1 mit dem erforderlichen Spiel zwischen den Rosten möglichst vollständig ausgefüllt wird. In dem in Figur 12 dargestellten Schnitt entlang der Line B-B aus Figur 10 erkennt man, dass die im dargestellten Beispiel die keramischen Träger 37 einen Querschnitt mit Doppel-T-Geometrie aufweisen. Die Träger 37 sind im dargestellten Beispiel als geradlinige Träger ausgebildet. Die randseitigen Träger 38 können beispielsweise einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Basis des U an der Innenwand des Reaktormantels 17 anliegt. Die randseitigen Träger 38 können auch als Träger mit Doppel-T-Geometrie ausgebildet sein. In der schematischen Zeichnung der Figur 12 sind beide Varianten dargestellt. Die randseitigen Träger 38 sind vorzugsweise als Segmente ausgebildet und werden an der Innenwand des Reaktormantels 17 über eine entsprechende Länge angepasst.
Figur 14 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors 10 mit einem mehrteiligen Einbauelement 35. Bei dieser Ausführungsform besteht das mehrteilige Einbauelement aus Körben 39, die unmittelbar auf den geradlinigen Trägern 37 in Doppel-T-Geometrie und den randseitigen Trägern 38 aufliegen. Die keramischen Körbe 39 sind mit Katalysatormaterial 19 in Form von Katalysatorschüttungen oder Monolithkatalysatoren gefüllt. Auch die Körbe 39 des mehrteiligen Einbauelements weisen einen perforierten Boden 40 und gegebenenfalls ein Edelmetallnetz 41 auf der Oberseite der Körbe 39 auf. Das Edelmetallnetz 41 ist jedoch nicht vorgesehen. Ein besonderes bevorzugter Anwendungsfall des Edelmetallnetzes ist beispielsweise die Salpetersäureoxidation, wo das Netz selbst bereits als Katalysator dient und die Katalysatoren in den Körben gewissermaßen die Reinigung des Reaktionsgases bewirken. Wie die Roste der Figuren 10 - 12 sind auch die Körbe 39 in ihren Anzahl und Form so gestaltet, dass sie mit dem entsprechenden Spiel zwischen den Körben den Innenquerschnitt des Reaktors vollständig ausfüllen. Da sich Katalysatormaterial 19 nur in den Körben 39 befindet müssen die Spalten zwischen den Körben 39 mit einem Fugenfüllmaterial 43, zum Beispiel in Form einer Hochtemperaturfasermatte, gefüllt werden, damit ein Bypass des Gasstroms verhindert wird. Auch der randseitige Spalt zwischen den Körben und der Innenwand des Raktormatels 17 ist mit einem Füllmaterial 43, vorzugsweise mit einem Isoliermaterial, gefüllt. In der in Figur 14 dargestellten Ausführungsform besteht das mehrteilige Einbauelement sowohl aus keramischen Körbe 39, die mit Katalysatormaterial in Form von Katalysatorschüttungen oder Monolithkatalysatoren gefüllt sind, als auch aus keramische Rosten 36. Die Körbe 39 liegen auf den Rosten 36 auf, während die Roste 36, wie in der Variante der Figuren 10 - 12 durch keramische Träger 37, 38 gestützt werden. In den Spalten zwischen den Körben 39 ist wieder ein hochtemperaturbeständiges Fugenfüllmaterial 43 in Form von Hochtemperaturfasermatten eingebracht. Im dargestellten Beispiel entspricht die Grundfläche der Körbe 39 der Grundfläche der Roste 36, jedoch können die jeweiligen Grundfläche auch unabhängig von einander gewählt werden, so dass sich beispielweise ein Korb 39 über mehrere Roste 36 erstrecken kann.
Die oxidkeramischen Träger oder Tragelemente können unterschiedlichste Formen aufweisen. Während in den bisher beschriebenen Ausführungsformen Träger 37 in Doppel-T-Form oder Träger 38 in U-form dargestellt wurden, zeigen die Figuren 15 und 16 keramische Träger 44, die eine wellenförmig profilierte, perforierte Struktur aufweisen. Dabei zeigt Figur 15 eine Querschnittsdarstellung mit einem auf den Trägern 44 angeordneten Rost 36 und Figur 16 eine perspektivische Darstellung der Träger 44 ohne Rost. Im dargestellten Beispiel besteht jeder Träger 44 aus einer einzigen Welle. Durch aneinanderfügen mehrerer Träger 44 an ihren Längskanten 45 entsteht die dargestellte periodische Struktur. Auf diese Weise können großflächige Trägerstrukturen für Reaktoren im Industriemaßstab einfacher hergestellt werden. Es ist jedoch auch mögliche einzelne Träger 44 herzustellen, die aus mehreren Wellenzügen bestehen. Man erkennt außerdem, dass die Träger 44 Öffnungen 46 aufweisen, durch die das Gas der Gasphasenreaktion strömen kann. Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels einer heterogen katalysierten Gasphasenreaktion näher erläutert. Ein Ammoniak-Luftgemisch (12,5 Vol-% NH3, 87,5 Vol-% Luft) wird dem Ammoniak- Verbrennungsofen zugeführt, in dem, wie in Figur 1 dargestellt, ein einteiliges Einbauelement eingebaut ist. Der Korb hat einen lichten Durchmesser von 3,52 m. Der Reaktor wird mit einem Ammoniak-Luftgemisch-Durchsatz von 3650 Nm3/h und pro m2 Katalysatornetzfläche betrieben. Die Eintrittstemperatur des Ammoniak-Luft- Gemisches in den Reaktor beträgt 28,4 °C und der Druck vor dem Platin- Katalysatornetz im Reaktor 1089 mbar (abs.). Am Platin-Katalysatornetz verbrennt das Ammoniak bei Temperaturen von ca. 880 °C zum Reaktionsprodukt, welches dann durch die im Korb enthaltene katalytisch aktive Füllung geleitet wird und Stickstoffmonoxid als Hauptkomponente und geringe Mengen Distickstoffmonoxid N2O („Lachgas") enthält. Die Lachgaskonzentration des Reaktionsproduktes beträgt direkt nach dem Platin-Katalysatornetz, also noch vor dem Auftreffen auf die katalytisch aktive Füllung im Korb, ca. 1000 ppm. Dem Platinnetz nachgeschaltet ist der Korb, der eine 150 mm hohe Schicht aus Vollkatalysatorstränglingen enthält, wobei diese Stränglinge einen sternförmigen Querschnitt, einen Durchmesser von ca. 6 mm und eine Länge von 5 bis 30 mm haben und aus einer Mischung von CuO, ZnO und AI2O3 bestehen. Der Korb hat eine seitliche Begrenzung, die ca. 250 mm hoch ist.
Direkt nach dem Platin-Katalysatornetz (Entnahmestelle 1 ) und in der Mitte des Reaktors stromabwärts direkt unterhalb des Bodens des Korbes (Entnahmestelle 2) sowie an der Peripherie des Reaktors stromabwärts direkt unterhalb des äußeren Randbereiches des Bodens des Korbes (Entnahmestelle 3) können Proben des Reaktionsprodukts entnommen werden und auf Lachgaskonzentration mittels GC/MS- Methode untersucht werden. Eine weitere Entnahmestelle 4 ist stromabwärts nach dem Korb und einer nachgeschalteten Abhitzewärmetauschereinheit installiert.
Für den Versuch zu Vergleichszwecken wird das gleiche Korbdesign (gleiche Abmessungen) einmal in der herkömmlichen Variante aus Metall und im erfindungsgemäßen Fall aus einer oxidischen Hochtemperaturfaserkeramik verwendet. Vergleichsbeispiel 1 (nicht erfindungsgemäß)
Im kontinuierlichen Verfahren wird ein Ammoniak-Luftgemisch wie oben beschrieben umgesetzt, wobei ein metallischer Korb aus Inconel 600 (Werkstoffnummer 2.4816) eingesetzt wird.
Im Randbereich des Korbes weist die katalytisch aktive Füllung eine trichterförmige Vertiefung in Form eines Grabens von 96 mm Tiefe auf. Die Höhe der bestehenden Schüttung im Randbereich über dem Boden ist nur noch 54 mm (vor Versuchsbeginn war diese 150 mm).
Die gemessene Lachgaskonzentration an der Entnahmestelle 3 praktisch unterhalb der trichterförmigen Vertiefung beträgt 676 ppm Lachgas, an der Entnahmestelle 2 beträgt die gemessene Lachgaskonzentration 186 ppm so dass die gemittelte gemessene Lachgaskonzentration stromabwärts nach dem metallischen Korb und der stromabwärts nachgeschalteten Abhitzewärmetauschereinheit an der Entnahmestelle 4 227 ppm beträgt.
Versuchsbeispiel 1 (erfindungsgemäß)
Für den erfindungsgemäßen Vergleichsversuch wurde ein entsprechender Korb aus einer oxidkeramischen Hochtemperaturfaserkeramik verwendet.
Der Korb wurde hergestellt, indem eine Oxidkeramikfasergewebe aus Nextel™ 610 mit einem AI2O3 enthaltenden Schlicker infiltriert und auf eine der gewünschten Korbgeometrie entsprechende Form laminiert wurde. Nach einem Trocknungsvorgang bei 100 °C wurde das getrocknete Material entformt und bei 1250 °C gebrannt.
Im kontinuierlichen Verfahren wir ein Ammoniak-Luftgemisch wie oben beschrieben umgesetzt.
Der Randbereich im keramischen Korb weist nur noch eine geringe trichterförmige Vertiefung in Form eines Grabens von 37 mm Tiefe in der katalytisch aktiven Füllung auf, deren Höhe im Randbereich des keramischen Korbes noch 1 13 mm (vor Versuchsbeginn 150 mm) beträgt.
Die gemessene Lachgaskonzentration an der Entnahmestelle 3 praktisch unterhalb der trichterförmigen Vertiefung beträgt 316 ppm Lachgas, an der Entnahmestelle 2 beträgt die gemessene Lachgaskonzentration 190 ppm so dass die gemittelte gemessene Lachgaskonzentration stromabwärts nach dem oxidkeramischen Korb und der stromabwärts nachgeschalteten Abhitzewärmetauschereinheit an der Entnahmestelle 4 199 ppm beträgt.
Man erkennt dass durch die Verwendung eines Korbs aus Hochtemperaturfaserkeramik die Neigung der Katalysatorschüttung zur Trichterbildung aufgrund der geringen thermischen Ausdehnung des oxidkeramischen Korbs deutlich reduziert und entsprechend der die Lachgaskonzentration im Gasstrom aufgrund des geringeren Bypassstromes deutlich verringert werden kann.
Bezugszeichenliste
10 Reaktor
1 1 einteiliges Einbauelement
12 Korb
13 vertikale Seitenwand
14 perforierten Boden des Korbs 12
15 Ringscheibe
16 Auflager
17 Reaktormantel
18 Dichtung
19 Katalysatormaterial
20 Edelmetallnetz des Korbs 12
21 Pfeil der Strömungsrichtung
22 Beschwerungselement
23 Lagerabschnitt des Reaktormantels
24 Schweißverbindung
25 Seitenwand
26 ringförmige Nase
27 Isolierelement
28 oberer Mantelabschnitt
29 unterer Mantelabschnitt
30 Zwischenring
31 oberer Verbindungsflansch
32 unterer Verbindungsflansch
33 Dichtungselement
34 Schweißlippendichtung
35 mehrteiliges Einbauelement
36 Rost
37 geradliniger keramischer Träger
38 randseitiger keramischer Träger; bevorzugt U-Profil, wandanpassend
39 Korb
40 Seitenwand des Korbs 39
41 perforierten Boden des Korbs 39
42 Edelmetallnetz des Korbs 39
43 Fugenfüllmaterial in Form von Hochtemperaturfasermatten
44 wellenförmiger keramischer Träger
45 Längskante des Trägers 44
46 Öffnung

Claims

Patentansprüche:
Reaktor zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen, mit einem Einbauelement (1 1 , 35) oder mehreren in Strömungsrichtung des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durch den Reaktor (10) hintereinander angeordneten Einbauelementen (1 1 , 35), wobei sich die Einbauelemente über den gesamten Reaktorquerschnitt erstrecken, dadurch gekennzeichnet,
dass das eine oder die mehreren Einbauelemente (1 1 , 35) zumindest teilweise aus einem Faserverbundkeramikwerkstoff gebildet sind.
Reaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauelemente (1 1 , 35) Einbauelemente zur Aufnahme eines heterogenen Katalysators und gegebenenfalls zusätzliche Leerelemente umfassen.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundkeramikwerkstoff aus einer keramischen Matrix gebildet ist, in die keramische Fasern eingebettet sind, wobei bevorzugt die keramische Matrix und/oder die keramischen Fasern aus einer Oxidkeramik gebildet sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (10) zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen bei Reaktionstemperaturen zwischen 600 - 1500 °C, insbesondere zwischen 800 und 1000 °C, ausgelegt ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor einen zylindrischen Reaktormantel (17) aufweist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorquerschnitt in den Bereichen, in denen die Einbauelemente (1 1 , 35) angeordnet sind, größer als 0,25 m2, insbesondere größer als 1 m2 ist, wobei der maximale Reaktorquerschnitt bevorzugt zwischen 5 und 50 m2 und besonders bevorzugt zwischen 10 und 30 m2 beträgt.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren in Strömungsrichtung des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durch den Reaktor
(10) hintereinander angeordneten Einbauelemente
(1 1 ) einteilig ausgebildet sind, vorzugsweise als
M/56172-PCT einteiliger Korb (12) mit einer geschlossenen vertikalen Seitenwand (13) und einem perforierten Boden (14).
Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene vertikale Seitenwand (13) des einteiligen Korbes (10) an ihrem oberen Ende in eine horizontal abgewinkelte Ringscheibe (15) übergeht, die zur Positionierung des einteiligen Korbes
(12) auf einem Auflager (16) dient, wobei das Auflager (16) bevorzugt als ringförmige, an der Innenwand eines Reaktormantels (17) befestigte, insbesondere am Reaktormantel (17) angeschweißte Konsole, ausgebildet ist.
Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der horizontal abgewinkelten Ringscheibe (15) und dem Auflager (16) eine Dichtung (18) vorgesehen ist, die bevorzugt aus einer oder mehreren Lagen von Fasermatten oder Faserbändern gebildet ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager als ein in den Reaktormantel (17) integrierter Lagerabschnitt (23) ausgebildet ist, umfassend eine vertikale Seitenwand (25) und eine horizontale ringförmige, in das Innere des Reaktors vorspringende Nase (26).
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren in Strömungsrichtung des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durch den Reaktor hintereinander angeordneten Einbauelemente (35) mehrteilig ausgebildet sind.
Reaktor nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren in Strömungsrichtung des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durch den Reaktor (10) hintereinander angeordneten mehrteilig ausgebildeten Einbauelemente (35) als mehrere einzelne Roste (36) und/oder als mehrere einzelne Körbe (39), die jeweils mit eigenen Seitenwänden (40) und perforierten Böden (41 ) aufweisen, ausgebildet sind, wobei die Roste (36) und/oder die Körbe (39) auf Trägern (37, 38, 44) angeordnet sind, welche den Durchtritt des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion ermöglichen.
13. Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Körbe (39) gegeneinander und/oder gegen die Innenwand des Reaktormantels (17), mittels eines Isoliermaterials (43), insbesondere mittels Fasermatten, abgedichtet sind.
14. Reaktor nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger als voneinander beabstandete T-Träger, insbesondere als Doppel-T- Träger, oder als wellenförmig profiliertes Trägerelemente (44) mit einer Vielzahl von Öffnungen (46) für den Durchtritt des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion ausgebildet sind.
Reaktor nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das eine oder die mehreren in Strömungsrichtung des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durch den Reaktor (10) hintereinander angeordneten mehrteiligen Einbauelemente (35) als auch die Träger (37, 38, 44) aus Faserverbundkeramikwerkstoffen gebildet sind, wobei jedoch der Faserverbundkeramikwerkstoff für die Träger (37, 38, 44) eine höhere Festigkeit gegenüber dem Faserverbundwerkstoff für das eine oder die mehreren in Strömungsrichtung des Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durch den Reaktor (10) hintereinander angeordneten mehrteiligen Einbauelemente (35) aufweist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwei, drei oder mehrere Einbauelemente (1 1 , 35) vorgesehen sind, die im Reaktor (10) hintereinander vom Gasgemisches der heterogen katalysierten Gasphasenreaktion durchströmbar angeordnet sind, wobei der Reaktormantel (17) vorzugsweise eine konische Geometrie aufweist.
17. Verwendung des Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen, insbesondere als Verbrennungsofen oder Brennkammer, als Reaktor zur Partialoxidation von organischen Verbindungen, als Reaktor zur Synthesegasherstellung, als Reaktor zur Ammoniakoxidation, als Reaktor zur Dehydrierung, als Reaktor zur Oxidation anorganischer Verbindungen oder als Reaktor zur Abgasreinigung.
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