WO2017212016A1 - Reaktor und verfahren zur umsetzung von gleichgewichtslimitierten reaktionen - Google Patents

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gas
phase zone
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Jakob Albert
Manfred Baldauf
Jenny Reichert
Katharina Stark
Alexander Tremel
Peter Wasserscheid
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a process for the conversion of equilibrium limited reactions according to the preamble of claim 1 and a reaction apparatus for imple ⁇ wetting of equilibrium-limited reactions according to the preamble of claim 7.
  • the object of the invention is to provide a process and a reaction plant for the implementation of equilibrium-limited reactions which, compared to the prior art, bring about a higher yield in the reaction process and require less technical effort.
  • the object is achieved in a reactor for the implementation of equilibrium-limited reactions according to claim 1 and a method for the implementation of equilibrium-limited reactions according to claim 6.
  • the reactor according to the invention for the reaction of equi ⁇ weight limited reactions comprises a reaction chamber with a Eduktzu thoroughlyvoriques, an outlet device for reaction products and a device for receiving catalyst material and a stirring device.
  • the reactor is characterized in that the stirring device includes a hollow shaft at one end thereof a Gaseintrittsöff ⁇ voltage is provided and that a first stirring blade is provided with a gas outlet opening at the hollow shaft. Furthermore, to the hollow shaft in the area of the device for holding the catalyst material, a second blade on ⁇ sorted.
  • the second impeller which is arranged in the region of the catalyst material causes a better mainly horizontal gas mixing in this area, and therefore, again vortexed for the reactants which are present in the gas mixture to the catalyst material ⁇ the, so again a continuous reaction process is guaranteed ,
  • a liquid phase zone is seen ⁇ , wherein above this liquid phase zone, a Gaspha ⁇ Senzone present.
  • the first impeller, the stirring ⁇ wings are arranged with the gas outlet openings in the region of the liquid phase zone and the second impeller is arranged in the gas phase.
  • the Pro ⁇ -products present in the gas mixture is absorbed by the sorbent.
  • the remaining gas of the gas mixture when it emerges from the liquid phase zone, ie ascend gas bubbles and pass into the gas phase zone, results in a high proportion of educts.
  • the second impeller is in one embodiment of the invention preferably in the form of a Radial detergentrlochers ⁇ staltet, resulting in that the second impeller from the hollow shaft of the gas mixture in particular carries radially out ⁇ Shen and thereby in the range of the catalyst material, a good turbulence generated.
  • the extent of the first impeller radial to the hollow shaft between 20% and 30% of the total reactor diameter.
  • extension and impeller means the weites ⁇ th diameter over which extend the one or more stirring blades with respect to the hollow shaft.
  • impeller is to be understood in general, since a large number of various stirring devices may be appropriate. Sigma stirrers, alpha stirrers, INTERMIG stirrers, MIG stirrers or disk stirrers may be used for the flow of the gas mixture, all of which have different geometrical constructions.
  • the term impeller means any suitable for the distribution of the gas mixture and the circulation of the liquid phase zones device which is arranged on the hollow shaft. In a further embodiment of the invention is the
  • Reactor designed in such a way that it moves the agitating blade in the operating state in such a way that a web speed of the agitating blade is between 5 m / s and 15 m / s.
  • Another component of the invention is a process for the implementation of equilibrium-limited reactions according to claim 7, comprising the following steps: First, a catalyst material is arranged in the reactor, further one or more starting materials is introduced into the reactor, wherein it reacts for the reactants comes to a product and where ⁇ in a stirring device is provided, through which a gas mixture, is sucked in from an upper portion of the reactor and is passed through a hollow shaft in a lower portion of the reactor.
  • the gas mixture is discharged from the gas outlet openings in a mounted on the hollow shaft first impeller.
  • the gas mixture thus discharged is passed from there back into an upper region of the reactor, wherein it flows through the catalyst material located in the reactor.
  • a further stirring blade is provided on the hollow shaft, through which a turbulence of the gas mixture is brought about in the region of the catalyst material.
  • the circulation results in a flow in the gas mixture and thus in the reaction space, which makes it possible to obtain an isobaric operation at high pressures.
  • a liquid phase zone is present, in particular with a sorbent as a liquid, caused by the introduction of gas in the liquid phase zone of gas bubbles, which have a high mass transfer ⁇ surface with the liquid, preferably in the sorbent, and thus an effective mass transfer, So the products allow to sorbent.
  • ⁇ det a good mixing instead of liquid.
  • FIG. 1 shows a reactor with a catalyst material and egg ⁇ ner stirring device, wherein the stirring device is driven in the reactor from below,
  • Figure 2 shows a reactor analogous to that of Figure 1, in which a
  • FIG. 3 shows a reactor as in FIG. 1, wherein the reactor is operated in such a way that the products are gaseous in the prevailing atmosphere.
  • the reactor 2 according to FIG. 1 has a reaction space 4, an educt feed device 6 for the supply of starting materials 7 and an outlet device 8 for products 10. Furthermore, the reactor 2 comprises a device 12 for receiving catalyst material 14.
  • the device 12 may be configured as a basket or net, wherein the catalyst material is present.
  • the catalyst material 14 can be used as a bed in the Vorrich- However, it may also be arranged to improve the flow on multiple levels or layers in the device 12.
  • the reactor 2 comprises a stirring device 16, which in turn comprises a hollow shaft 18, wherein a gas inlet opening 20 is provided on the hollow shaft 18 in an upper region 27 of the reactor.
  • a first impeller 22, which has a gas outlet openings 24, is arranged on the hollow shaft 18 in a lower region 28 of the reactor.
  • the gas mixture 38 which is a mixture of gaseous reactants and gaseous products 7 10 basically in Wesentli ⁇ Chen, introduced into a liquid phase zone 30th
  • This liquid phase zone 30 comprises a Sorp ⁇ tion means 40 which is present here in a liquid form and serves substantially to absorb the reaction products from the reactor 10 and ultimately derive from the reactor. 2
  • the liquid sorbent 40 collects in the liquid phase zone 28, which does not exclude that in the remaining reaction ⁇ space 4 liquid sorbent 40, for example in
  • the sorbent 40 is also discharged through the outlet device 8 for products 10 and is supplied to a separation process which is not described in more detail here. Accordingly, the sorbent is 40 just ⁇ if telzuchtvortechnisch by a not further described here Sorptionsmit- back to the reactor 2 and the reaction chamber 4 is supplied.
  • the stirring device 16 thus described is a self-priming gas introduction stirrer, through which gas is passed from the upper reaction region into the lower region 28 of the reactor. As described, the gas bubbles emerging from the second impeller thus facilitate the connection of the products present in these gas bubbles with the sorbent.
  • a second impeller 26 is provided on the hollow shaft 18, the insbeson ⁇ particular is designed as Radialrrocker.
  • Examples of such a stirrer with a mainly radially generated conveying direction are disc stirrers, impeller stirrers,
  • the second impeller 26 in this case has an extension with respect to the Reaktor admirals ⁇ sers, which affects between 20 and 35% of this reactor diameter.
  • the web speed of the second impeller be ⁇ carries it between 3 m / s to 6 m / s.
  • the gas mixture 38 which is provided above the region in which the catalyst material 14 is arranged, is accordingly enriched in reaction products.
  • the system comprises reactants that were not converted in the equilibrium state of the reaction at Kataly ⁇ sator material 14 and reaction production ⁇ te.
  • This gas mixture 38 is again separated by the stirring device. sucked and occurs in the gas inlet opening 20 again in the hollow shaft 18, wherein the cycle process described begins again.
  • the first impeller has an extension 34 which is between 20% and 30% of the diameter 36 of the reactor space.
  • FIG. 1 shows a stirring device 16 which has a drive 29 in the lower region 28 of the reactor 2.
  • FIG. 1 shows a stirring device 16 which has a drive 29 in the lower region 28 of the reactor 2.
  • a drive 29 of the stirring device 16 is arranged in the upper region 27.
  • the reactor 2 according to Figure 3 differs from the two reactors according to Figures 1 and 2 in that there the thermodynamic conditions are adapted in a way that no sorbent is required 40, but that the Pro ⁇ -products 10 in gaseous form, be removed from the reaction space 4.
  • the gas inlet opening 20 of the hollow shaft is designed so that it is mounted outside of the reaction space 4.
  • the liquid phase for example, could be in the form of a heat transfer oil Darge ⁇ provides, but which is not shown here in this illustration.
  • reaction products 10 such as water and Metha ⁇ nol may additionally condensed out and the reaction heat to be dissipated.
  • the remaining gas stream is then sucked by the first impeller and recycled back into the reaction chamber 4 to ⁇ .
  • the gas recirculation is or any additional blowers only through the stirring device 16 upright preserver ⁇ th.
  • the continuous removal of condensed reaction products 10, the reaction equilibrium is shifted analogously to the pick-up by the absorbent. additional The condensation of products in the region outside of the reaction space 2 could lead to a pressure drop, which then supports the flow of the gas stream.

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Abstract

Reaktor und Verfahren zur Umsetzung von gleichgewichtslimi- tierten Reaktionen Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Umsetzung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen, umfassend einen Reakti- onsraum (4) mit einer Eduktzuführvorrichtung (6) eine Aus-lassvorrichtung (8) für Reaktionsprodukte (10), sowie eine Vorrichtung zur Aufnahme von Katalysatormaterial (14) und eine Rührvorrichtung (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Rührvorrichtung (16) eine Hohlwelle (18) umfasst an deren einem Ende eine Gaseintrittsöffnung (20) vorgesehen ist und dass an der Hohlwelle (18) ein erster Rührflügel (22) mit Gasaustrittsöffnungen (24) vorgesehen ist, ferner ist an der Hohlwelle (18) im Bereich der Vorrichtung (12) zur Aufnahme des Katalysatormaterials (14) ein zweiter Rührflügel (26) angeordnet.

Description

Beschreibung
Reaktor und Verfahren zur Umsetzung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Reaktionsvorrichtung zur Umset¬ zung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen nach dem Ober- begriff des Patentanspruchs 7.
Der Umsatz bei chemischen Reaktionen ist durch die Gleichgewichtslage der Reaktion beschränkt. Liegt das chemische
Gleichgewicht einer Synthesereaktion nur teilweise auf der Seite der Produkte, führt eine einstufige Reaktionsführung nur zu einem Teilumsatz. Werden dagegen kontinuierlich die Reaktionsprodukte aus dem Reaktor abgeführt, findet im Reak¬ tor ein kontinuierlicher Umsatz von Edukten zu Produkten statt .
Viele der wirtschaftlich relevanten chemischen Reaktionen sind dabei tatsächlich gleichgewichtslimitiert. Bei der che¬ mischen Synthese sind dies zum Beispiel die Erzeugung von Me¬ thanol aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid, oder die Erzeugung von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff, das sogenannte Haber-Bosch-Verfahren. Diese Reaktionen finden heute in heterogen katalysierten Festbett- oder
Slurry-Reaktoren statt. Die Edukte werden dabei bei einem einfachen Durchgang durch den Reaktor nur teilweise umge- setzt. Danach wird das Edukt-Produkt-Gemisch abgezogen, die Reaktionsprodukte üblicherweise abgetrennt und nicht umge¬ setzte Edukte werden zum Reaktoreintritt rezirkuliert. Die Rezirkulation von teils großen Gasmengen führt zu einem hohen apparativen Aufwand. Der Druckverlust bei der Rezirkulation muss durch eine Kompressionseinheit ausgeglichen werden. Die¬ se wird meist bei hohen Temperaturen betrieben und führt zu hohen Kosten und einem hohen Energieaufwand. Zudem reichern sich durch die Rezirkulation Inert- und Fremdgase im Kreis¬ lauf an, was negative Einflüsse auf die Reaktionsführung hat.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Reaktionsanlage zur Umsetzung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Ausbeute bei der Reaktionsführung bewirken und dabei einen geringeren technischen Aufwand benötigen .
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Reaktor zur Umsetzung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Umsetzung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen nach Patentanspruch 6.
Der erfindungsgemäße Reaktor zur Umsetzung von gleichge¬ wichtslimitierten Reaktionen umfasst einen Reaktionsraum mit einer Eduktzuführvorrichtung, einer Auslassvorrichtung für Reaktionsprodukte sowie eine Vorrichtung zur Aufnahme von Ka- talysatormaterial und eine Rührvorrichtung. Der Reaktor zeichnet sich dadurch aus, dass die Rührvorrichtung eine Hohlwelle umfasst, an deren einem Ende eine Gaseintrittsöff¬ nung vorgesehen ist und dass an der Hohlwelle ein erster Rührflügel mit einer Gasaustrittsöffnung vorgesehen ist. Des Weiteren ist an der Hohlwelle im Bereich der Vorrichtung zur Aufnahme des Katalysatormaterials ein zweiter Rührflügel an¬ geordnet .
Durch das Ansaugen des Gasgemisches durch einen sogenannten Eintragsrührer aus einem oberen Reaktorbereich und das Ableiten dieses Gasgemisches, das in der Regel aus einer Mischung von Reaktionsedukten (Edukte) und Reaktionsprodukten (Produkte) besteht, führt dazu, dass eine bezüglich der Höhe des Re¬ aktors axiale Strömungsgeschwindigkeit eingestellt wird. Die Hohlwelle in Kombination mit dem ersten Rührflügel fungiert dabei als selbstansaugender Verdichter. Durch Einsatz dieser beschriebenen Rührvorrichtung ist eine isobare Betriebsweise des Reaktors bei hohen Drücken möglich, ohne ein zusätzliches Gasförderorgan zu benötigen. Ferner bewirkt der zweite Rührflügel, der im Bereich des Katalysatormaterials angeordnet ist, eine bessere vor allem horizontale Gasvermischung in diesem Bereich, weshalb die Edukte, die in dem Gasgemisch vorliegen, erneut um das Katalysatormaterial verwirbelt wer¬ den, weshalb wiederum ein kontinuierlicher Reaktionsablauf gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist in ei- nem unteren Bereich des Reaktors eine Flüssigphasenzone vor¬ gesehen, wobei oberhalb dieser Flüssigphasenzone eine Gaspha¬ senzone vorliegt. Hierbei ist der erste Rührflügel, der Rühr¬ flügel mit den Gasaustrittsöffnungen im Bereich der Flüssigphasenzone angeordnet und der zweite Rührflügel ist in der Gasphase angeordnet. Insbesondere wenn in der Flüssigphasen¬ zone ein flüssiges Sorptionsmittel vorliegt, werden die Pro¬ dukte, die in dem Gasgemisch vorliegen, durch das Sorptionsmittel absorbiert. Das restliche Gas des Gasgemisches besteht dann, wenn dieses aus der Flüssigphasenzone austritt, also Gasblasen aufsteigen und in die Gasphasenzone übergehen, zu einem hohen Anteil an Edukten. Diese Edukte werden wieder, insbesondere verwirbelt durch den zweiten Rührer im Bereich des Katalysatormaterials zu Produkten umgewandelt. Der zweite Rührflügel ist in einer Ausgestaltungsform der Erfindung bevorzugt in Form eines Radialförderrührers ausge¬ staltet, was dazu führt, dass der zweite Rührflügel aus dem von der Hohlwelle das Gasgemisch insbesondere radial nach au¬ ßen trägt und dabei im Bereich des Katalysatormaterials, eine gute Verwirbelung erzeugt.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung beträgt die Erstreckung des ersten Rührflügels radial zur Hohlwelle zwischen 20 % und 30 % des gesamten Reaktordurchmessers. Der Begriff Erstreckung und Rührflügel bedeutet dabei den weites¬ ten Durchmesser, über den sich der oder mehrere Rührflügel bezüglich der Hohlwelle erstrecken. Der Begriff Rührflügel ist dabei allgemein zu verstehen, da eine Vielzahl von ver- schiedenen Rühreinrichtungen zweckmäßig sein können. Dabei können insgesamt zum Verströmen des Gasgemisches Sigma-Rüh- rer, Alpha-Rührer, INTERMIG-Rührer, MIG-Rührer oder Schei- benrührer zum Einsatz kommen, die unterschiedliche geometri- sehe Ausgestaltungsformen aufweisen. Der Begriff Rührflügel bedeutet dabei jegliche zur Verteilung des Gasgemisches und zur Umwälzung der Flüssigphasenzonen geeignete Vorrichtung, die an der Hohlwelle angeordnet ist. In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist der
Reaktor in der Art konzipiert, dass er im Betriebszustand den Rührflügel in der Art bewegt, dass eine Bahngeschwindigkeit des Rührflügels zwischen 5 m/s und 15 m/s beträgt. Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zur Umsetzung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen nach Patentanspruch 7, das dabei folgende Schritte umfasst: Zunächst wird ein Katalysatormaterial im Reaktor angeordnet, ferner wird ein oder mehrere Edukte in den Reaktor eingebracht, wo- bei es zur Reaktion der Edukte zu einem Produkt kommt und wo¬ bei eine Rührvorrichtung vorgesehen ist, durch die ein Gasgemisch, ausgehend von einem oberen Bereich des Reaktors angesaugt wird und durch eine Hohlwelle in einen unteren Bereich des Reaktors geführt wird. Dort wird das Gasgemisch aus Gas- austrittsöffnungen in einen an der Hohlwelle angebrachten ersten Rührflügel ausgeleitet. Das so ausgeleitete Gasgemisch wird von dort aus wieder zurück in einen oberen Bereich des Reaktors geleitet, wobei es dabei das im Reaktor befindliche Katalysatormaterial durchströmt. Ferner ist ein weiterer Rührflügel auf der Hohlwelle vorgesehen, durch den im Bereich des Katalysatormaterials eine Verwirbelung des Gasgemisches herbeigeführt wird.
Hierbei ergeben sich bezüglich des erfindungsgemäßen Verfah- rens dieselben Vorteile, die bereits bezüglich des Reaktors beschrieben sind, durch die Zirkulation erfolgt eine Strömung im Gasgemisch und somit im Reaktionsraum, durch den eine iso- bare Fahrweise bei hohen Drücken ermöglicht wird. Insbesondere wenn im unteren Bereich des Reaktors eine Flüs- sigphasenzone, insbesondere mit einem Sorptionsmittel als Flüssigkeit vorliegt, entstehen durch den Gaseintrag in der Flüssigphasenzone Gasblasen, welche eine hohe Stoffaustausch¬ fläche mit der Flüssigkeit, bevorzugt im Sorptionsmittel, aufweisen und somit einen effektiven StoffÜbergang, also der Produkte, zum Sorptionsmittel ermöglichen. Gleichzeitig fin¬ det auch eine gute Durchmischung der Flüssigkeit statt.
Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen. Merkmale, die dieselbe Bezeichnung tragen und in unterschied¬ licher Ausgestaltung vorliegen, werden dabei in den unterschiedlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Dabei zeigen:
Figur 1 einen Reaktor mit einem Katalysatormaterial und ei¬ ner Rührvorrichtung, wobei die Rührvorrichtung im Reaktor von unten angetrieben wird,
Figur 2 einen Reaktor analog dem aus Figur 1, bei dem ein
Antrieb der Rührvorrichtung von oben erfolgt und
Figur 3 einen Reaktor, wie in Figur 1, wobei der Reaktor derart betrieben wird, dass die Produkte bei der vorherrschenden Atmosphäre gasförmig vorliegen.
Der Reaktor 2 gemäß Figur 1 weist einen Reaktionsraum 4, eine Eduktzuführvorrichtung 6 zur Zufuhr von Edukten 7 und eine Auslassvorrichtung 8 für Produkte 10 auf. Ferner umfasst der Reaktor 2 eine Vorrichtung 12 zur Aufnahme von Katalysatormaterial 14. Die Vorrichtung 12 kann dabei als Korb oder Netz ausgestaltet sein, worin das Katalysatormaterial vorliegt. Das Katalysatormaterial 14 kann als Schüttung in der Vorrich- tung 12 vorliegen, es kann jedoch auch zur Verbesserung der Durchströmung auf mehreren Ebenen oder Schichten in der Vorrichtung 12 angeordnet sein. Ferner umfasst der Reaktor 2 eine Rührvorrichtung 16, die wiederum eine Hohlwelle 18 umfasst, wobei an der Hohlwelle 18 in einem oberen Bereich 27 des Reaktors eine Gaseintrittsöff¬ nung 20 vorgesehen ist. Ferner ist an der Hohlwelle 18 in einem unteren Bereich 28 des Reaktors ein erster Rührflügel 22 angeordnet, der eine Gasaustrittsöffnungen 24 aufweist. Durch die Rotation der Rührvorrichtung 16 werden aus dem oberen Bereich 27 des Reaktors 2 ein Gasgemisch 38 in die Gaseintrittsöffnung 20 der Hohlwelle 18 eingesaugt und in der Hohl¬ welle 18 nach unten in Richtung des ersten Rührflügels gelei- tet. Die Rotation des Rührflügels ist dabei ähnlich eines
Kompressors, der das Ansaugen des Gasgemisches 38 verursacht. Aus den Gasaustrittsöffnungen 24 des ersten Rührflügels 22 wird dabei das Gasgemisch 38, das grundsätzlich im Wesentli¬ chen eine Mischung aus gasförmigen Edukten 7 und gasförmigen Produkten 10 ist, in eine Flüssigphasenzone 30 eingeleitet. Diese Flüssigphasenzone 30 umfasst im Wesentlichen ein Sorp¬ tionsmittel 40, das hier in flüssiger Form vorliegt und dazu dient, Reaktionsprodukte 10 aus dem Reaktor zu absorbieren und letztlich aus dem Reaktor 2 abzuleiten. Das flüssige Sorptionsmittel 40 sammelt sich in der Flüssigphasenzone 28, was jedoch nicht ausschließt, dass auch im übrigen Reaktions¬ raum 4 flüssiges Sorptionsmittel 40, beispielsweise in
Tröpfchenform, vorliegt. Auf die Zufuhr und auf die Abfuhr des Sorptionsmittels 40 wird hierbei nicht näher eingegangen. Es sei darauf hingewiesen, dass durch die Auslassvorrichtung 8 für Produkte 10 auch das Sorptionsmittel 40 abgeleitet wird und einem hier nicht näher beschriebenen Trennprozess zugeführt wird. Entsprechend wird das Sorptionsmittel 40 eben¬ falls durch eine hier nicht näher beschriebene Sorptionsmit- telzufuhrvorrichtung wieder dem Reaktor 2 bzw. dem Reaktionsraum 4 zugeführt. Bei der beschriebenen Rührvorrichtung 16 handelt es sich somit um einen selbstansaugenden Gaseintragrührer, durch den Gas aus dem oberen Reaktionsbereich in den unteren Bereich 28 des Reaktors geführt wird. Wie beschrieben, wird somit durch die aus dem zweiten Rührflügel austretenden Gasblasen die Verbindung der Produkte, die in diesen Gasblasen vorliegen, mit dem Sorptionsmittel, erleichtert. Im gleichen Zug wird dabei das Gasgemisch 38 von den Produkten abgereichert , wenn nun dieses abgereicherte Gasgemisch 38 aus der Flüssigphasen- zone gasblasenförmig austritt, steigt es wieder, hervorgeru¬ fen durch die Ansaugung an der Gaseintrittsöffnung 20 der Hohlwelle 18 nach oben und passiert dabei den Bereich, in dem das Katalysatormaterial 14 angeordnet ist. Da das Gasgemisch 38 nun wieder reich an Edukten ist, bedeutet dies eine Ver- Schiebung des Gleichgewichtszustandes in Richtung der Edukte, wenn dieses Gasgemisch auf das Katalysatormaterial trifft. Es erfolgt wiederum eine Reaktion der Edukte zu den Reaktions¬ produkten, soweit, bis wiederum ein Gleichgewichtszustand eingestellt ist. Um diese Reaktion an der Oberfläche des Ka- talysatormaterials 14 zu optimieren, gilt es, das Gasgemisch 38 möglichst gut um das Katalysatormaterial 14 und dessen Oberfläche hindurch zu verwirbeln. Hierfür ist ein zweiter Rührflügel 26 auf der Hohlwelle 18 vorgesehen, der insbeson¬ dere als Radialrührer ausgestaltet ist. Beispiele für einen derartigen Rührer mit hauptsächlich radial erzeugter Förderrichtung sind Scheibenrührer, Impeller-Rührer,
Kreuzbalkenrührer oder Ankerrührer. Der zweite Rührflügel 26 weist dabei eine Erstreckung bezüglich des Reaktordurchmes¬ sers auf, der zwischen 20 und 35 % dieses Reaktordurchmessers betrifft. Die Bahngeschwindigkeit des zweiten Rührflügels be¬ trägt dabei zwischen 3 m/s und 6 m/s.
Das Gasgemisch 38, das oberhalb des Bereiches vorgesehen ist, indem das Katalysatormaterial 14 angeordnet ist, ist demnach wieder angereichert an Reaktionsprodukten. Es umfasst somit Edukte, die im Gleichgewichtszustand der Reaktion am Kataly¬ satormaterial 14 nicht umgesetzt wurden und Reaktionsproduk¬ te. Dieses Gasgemisch 38 wird wiederum durch die Rührvorrich- tung angesaugt und tritt in der Gaseintrittsöffnung 20 wieder in die Hohlwelle 18 ein, wobei der beschriebene Kreislaufpro- zess erneut beginnt. Es sei angemerkt, dass es sich ebenfalls als zweckmäßig her¬ ausgestellt hat, wenn der erste Rührflügel eine Erstreckung 34 aufweist, die zwischen 20 % und 30 % des Durchmessers 36 des Reaktorraumes 4 beträgt. In Figur 1 ist eine Rührvorrichtung 16 dargestellt, die einen Antrieb 29 im unteren Bereich 28 des Reaktors 2 aufweist. Analog dazu wird in Figur 2 ein Antrieb 29 der Rührvorrichtung 16 im oberen Bereich 27 angeordnet. Der Reaktor 2 gemäß Figur 3 unterscheidet sich von den beiden Reaktoren nach den Figuren 1 und 2 darin, dass dort die ther- modynamischen Bedingungen in der Form ausgestaltet sind, dass kein Sorptionsmittel 40 benötigt wird, sondern dass die Pro¬ dukte 10 in gasförmiger Form aus dem Reaktionsraum 4 abge- führt werden. Dabei ist die Gaseintrittsöffnung 20 der Hohlwelle so ausgestaltet, dass sie außerhalb des Reaktionsraumes 4 angebracht ist. In dieser Anordnung kann auf ein Sorptions¬ mittel 40 verzichtet werden, da es in diesem Fall nicht zur Gleichgewichtsverschiebung benötigt wird. Allerdings könnte die flüssige Phase z.B. in Form eines Wärmeträgeröls darge¬ stellt sein, die jedoch hier in dieser Darstellung nicht abgebildet ist. Der mit Reaktionsprodukten 10 beladene Gasstrom 38 wird aus dem Reaktionsraum 4 ausgeschleust und gekühlt, hierfür ist eine Kühlvorrichtung 42 vorgesehen. Auf diese Weise können Reaktionsprodukte 10, wie z.B. Wasser und Metha¬ nol, auskondensiert und zusätzlich Reaktionswärme abgeführt werden. Der verbliebene Gasstrom wird dann durch den ersten Rührflügel wieder angesaugt und in den Reaktionsraum 4 zu¬ rückgeführt. Somit wird die Gasrezirkulation ohne zusätzli- ches Gebläse nur über die Rührvorrichtung 16 aufrechterhal¬ ten. Durch die kontinuierliche Abfuhr von auskondensierten Reaktionsprodukten 10 wird das Reaktionsgleichgewicht analog zum Aufnehmen durch das Absorptionsmittel verschoben. Zusätz- lieh könnte die Kondensation von Produkten im Bereich außer halb des Reaktionsraumes 2 zu einem Druckabfall führen, der dann die Strömung des Gasstroms unterstützt.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass sich für die beschrieb' nen Reaktionsverfahren in dem Reaktor 2 eine Vielzahl von Synthesen eignen. Beispielsweise ist bei der Erzeugung von Methanol aus Wasserstoff und einem Kohlenstoffoxid die Reak tion gleichgewichtslimitiert. Daher ist die Synthese von Me thanol aus den genannten Edukten sehr gut in einem der beschriebenen Reaktoren durchführbar. Ferner ist auch die Syn these von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff, die auf dem klassischen Haber-Bosch-Verfahren aufbaut, geeignet, um sie in dem beschriebenen Reaktor zu betreiben.

Claims

Patentansprüche
1. Reaktor zur Umsetzung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen, umfassend einen Reaktionsraum (4) mit einer
Eduktzuführvorrichtung (6) eine Auslassvorrichtung (8) für Reaktionsprodukte (10), sowie eine Vorrichtung zur Aufnahme von Katalysatormaterial (14) und eine Rührvorrichtung (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Rührvorrichtung (16) eine Hohlwelle (18) umfasst an deren einem Ende eine Gaseintritts- Öffnung (20) vorgesehen ist und dass an der Hohlwelle (18) ein erster Rührflügel (22) mit Gasaustrittsöffnungen (24) vorgesehen ist, ferner ist an der Hohlwelle (18) im Bereich der Vorrichtung (12) zur Aufnahme des Katalysatormaterials (14) ein zweiter Rührflügel (26) angeordnet.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem unteren Bereich (28) des Reaktors (2) eine Flüssigpha- senzone (30) vorgesehen ist und oberhalb dieser eine Gaspha¬ senzone (32) vorliegt, wobei der erste Rührflügel (22) im Be- reich Flüssigphasenzone (30) angeordnet ist und der zweite Rührflügel (26) in der Gasphasenzone (32) angeordnet ist.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Flüssigphasenzone (32) ein flüssiges Sorptions- mittel (40) vorliegt.
4. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rührflügel (26) in Form eines
Radialförderrühres ausgestaltet ist.
5. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstreckung (34) des ersten Rührflü¬ gels (22) radial zur Hohlwelle (18) zwischen 20 % und 30 % des Reaktordurchmessers (36) beträgt.
6. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahngeschwindigkeit des ersten Rühr¬ flügels (22) zwischen 5 m/s und 15 m/s beträgt.
7. Verfahren zur Umsetzung von gleichgewichtslimitierten Reaktionen, umfassend folgende Schritte:
- Anordnen eines Katalysatormaterials (14) in einem Reaktor (2)
- Einbringen von Edukten (7) in den Reaktor (2),
- Reaktion der Edukte (7) zu einem Produkt (2),
wobei eine Rührvorrichtung (16) vorgesehen ist, durch die ein Gasgemisch (38) ausgehend von einem oberen Bereich (27) des Reaktors (2) angesaugt wird und durch eine Hohlwelle (18) in einen unteren Bereich (28) des Reaktors geführt wird wobei dort das Gasgemisch (38) aus Gasaustrittsöffnungen (24) in einem, an der Hohlwelle (18) angebrachten ersten Rührflügel (26) ausgeleitet wird und von dort aus wieder zurück in einen oberen Bereich (27) des Reaktors (2) geleitet wird, wobei es dabei das im Reaktor (2) befindliche Katalysatormaterial (14) durchströmt und wobei ein zweiter Rührflügel (26) auf der Hohlwelle (18) vorgesehen ist, durch den im Bereich des Katalysatormaterials (14) eine Verwirbelung des Gasgemisches (38) herbeigeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (2) ein flüssiges Sorptionsmittel (40) zugeführt wird, wobei sich dieses in einer Flüssigphasenzone (30) in einem unteren Bereich (28) des Reaktors (2) sammelt und durch den ersten Rührflügel (22) das Gasgemisch (38) in der Flüssigphasenzone (30) ausgeleitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich- net, dass durch den zweiten Rührflügel (26), der sich in ei¬ ner Gasphasenzone (32) oberhalb der Flüssigphasenzone (30) befindet, das Gasgemisch (38) in radialer Richtung verteilt wird .
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