DE10032302A1 - Rohrreaktor mit Einrichtungen zur Wärmeübertragung - Google Patents

Abstract

Es wird ein Rohrreaktor (1) mit Einrichtungen zur Wärmeübertragung über ein Wärmetauschmittel vorgeschlagen, wobei die Einrichtungen zur Wärmeübertragung Wärmetauscherplatten (2) sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrreaktor mit Einrichtungen zur Wärmeübertra­ gung sowie eine Verwendung des Reaktors.

Rohrreaktoren sind Reaktoren mit großer Länge im Verhältnis zum Durchmesser, wobei die Untergrenze für das Länge/Durchmesser-Verhältnis bei etwa 5 liegt. Im Verhältnis zur theoretisch endlosen Länge sind Durchmesser bis zu einer Un­ tergrenze von ca. 100 mm üblich. Sie werden in der chemischen Reaktionstechnik insbesondere zur Herstellung von Polyethylen eingesetzt. Um die Reaktions­ wärme abzuführen, bzw. um den Wärmebedarf endothermer Reaktionen zu dec­ ken ist es bekannt, Rohrreaktoren mit Einrichtungen zur Wärmeübertragung aus­ zustatten, beispielsweise mit einem äußeren Doppelmantel, außen aufgeschweiß­ ten Halbschalen oder Rohrschlangen, die auf der Reaktorwand und/oder im Rohrreaktor angeordnet sind.

Wegen der Längsströmung des Reaktionsmediums ist der Wärmeübergang an der Reaktorwand jedoch begrenzt.

Für eine Vielzahl von ein- oder mehrphasig durchgeführte Reaktionen sind Um­ satz und Selektivität in ausschlaggebender Weise durch eine gezielte Wärmeüber­ tragung beeinflußbar. Dies ist jedoch über die bekannten Einrichtungen zur Wär­ meübertragung nicht oder nur in begrenztem Ausmaß möglich.

Aufgabe der Erfindung war es demgemäß, einen Rohrreaktor mit Einrichtungen zur Wärmeübertragung zur Verfügung zu stellen, der eine lokal gezielte Wärme­ übertragung und damit eine Verbesserung von Umsatz und Selektivität von che­ mischen Reaktionen gewährleistet.

Die Erfindung geht aus von einem Rohrreaktor mit Einrichtungen zur Wärme­ übertragung über ein Wärmetauschmittel.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen Wärmetauscher­ platten sind.

Wärmetauscherplatten und ihr Einsatz in zylindrischen Reaktoren sind bekannt, beispielsweise aus DE 199 29 487.9.

In überraschender Weise wurde gefunden, daß Wärmetauscherplatten auch in Rohrreaktoren, mit grundsätzlich anderen geometrischen und somit strömungs­ technischen Voraussetzungen gegenüber üblichen zylindrischen Reaktoren, eingesetzt werden können, insbesondere, daß sie eine hierfür ausreichende Stabilität aufweisen.

Wärmetauscherplatten sind überwiegend flächenförmige Gebilde, die einen mit Zu- und Abführleitungen versehenen Innenraum mit geringer Dicke im Verhältnis zur Fläche aufweisen. Sie werden in der Regel aus Blechen, häufig aus Stahlble­ chen, hergestellt. Je nach Anwendungsfall, insbesondere den Eigenschaften des Reaktionsmediums sowie des Wärmetauschmittels können jedoch spezielle, ins­ besondere korrosionsfeste, Werkstoffe zum Einsatz kommen. Die Zu- bzw. Ab­ führeinrichtungen für das Wärmetauschmittel sind in der Regel an einander ent­ gegengesetzten Enden der Wärmetauscherplatten angeordnet.

Die Wärmetauscherplatten müssen im Rohrreaktor dergestalt angeordnet sein, daß eine Durchströmung des Rohrreaktors durch das Reaktionsmedium möglich ist.

Eine besonders geeignete Anordnungsmöglichkeit besteht darin, die Wärmetau­ scherplatten senkrecht zur Hauptachse des Rohrreaktors auszurichten, unter Frei­ lassung von Durchtrittsöffnungen für das Reaktionsgemisch.

Die Wärmetauscherplatten können grundsätzlich in beliebigen Abständen zuein­ ander im Rohrreaktor angeordnet sein, wodurch eine gezielte Anpassung an das geforderte Wärmeprofil, je nach Art der durchzuführenden chemischen Reaktion, möglich ist. Beispielsweise ist es möglich, zur Durchführung von Reaktionen mit hoher Wärmeentwicklung zu Reaktionsbeginn die Plattenabstände zunächst enger und mit fortschreitender Reaktion, im weiteren Verlauf des Rohrreaktors, mit zu­ nehmenden Abständen zueinander anzuordnen.

Die senkrecht zur Hauptachse angeordneten Wärmetauscherplatten können bevor­ zugt in der Weise ausgebildet sein, daß sie alternierend Durchtrittsquerschnitte an der Reaktorwand freilassen. Dadurch bildet sich eine mäanderförmige Strömung des Reaktionsmediums aus. Die alternierend Durchtrittsquerschnitte freilassenden Wärmetauscherplatten können insbesondere als unvollständige Scheiben, beson­ ders bevorzugt als Zweidrittel-Scheiben ausgebildet sein.

Für größere Reaktionsgemischströme wird eine Anordnung der Wärmetauscher­ platten bevorzugt, die einen geringeren Druckverlust des Reaktionsgemisches bewirkt: hierzu werden jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wärmetau­ scherplatten, die alternierende Durchtrittsöffnungen an der Rohrinnenwand frei­ lassen, ein oder mehrere zusätzliche Wärmetauscherplatten angeordnet, die je­ weils Durchtrittsöffnungen für das Reaktionsgemisch an beiden gegenüberliegen­ den Rohrinnenflächen freilassen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist es möglich, zumin­ dest die alternierende Durchtrittsöffnungen freilassenden Wärmetauscherplatten als statische Mischer auszubilden. Als statische Mischer werden in bekannter Weise Apparate bezeichnet, die Mischvorgänge ohne bewegliche Teile bewirken, indem sie Fluidströme aufteilen, umorientieren und wieder zusammenführen. Diese Ausgestaltung wirkt sich besonders vorteilhaft auf das Verweilzeitspektrum aus, das sich dadurch dem der Pfropfenströmung annähern läßt. Weiterhin ist es bei dieser Ausführungsform möglich, zusätzliche Eduktströme als Zwischenein­ speisungen nach dem Rohranfang besonders schnell und gleichförmig mit dem Hauptstrom des Reaktionsgemisches zu vermischen. Weiterhin wirken sich stati­ sche Mischer insbesondere bei mehrphasigen Systemen vergleichmäßigend auf die Strömung aus. Vor allem Wärme- und Stoffübertragungsvorgänge werden dadurch verbessert.

In einer weiteren Ausführungsvariante ist es möglich, die Wärmetauscherplatten parallel zur Hauptachse des Rohrreaktors, insbesondere als konzentrische, bevor­ zugt gleichmäßig beabstandete Rohre auszubilden.

Besonders bevorzugt können hierbei die Wärmetauscherplatten mit unterschiedli­ cher Längenausdehnung ausgebildet sein, insbesondere mit abnehmender Länge zur Reaktorlängsachse hin.

Es ist möglich, die senkrecht zur Reaktorlängsachse ausgerichteten Wärmetau­ scherplatten in der Weise auszubilden, daß diese alternierend Durchtrittsöffnun­ gen im Reaktorzentrum und an der Reaktorinnenwand freilassen. Eine derartige Ausbildung der Wärmetauscherplatten sichert eine verbesserte Durchströmung des Rohrreaktors durch das Reaktionsmedium.

Schließlich ist es möglich, die bevorzugt senkrecht zur Hauptachse des Rohrre­ aktors ausgerichteten Wärmetauscherplatten in der Weise im Reaktor anzuordnen, daß an beliebigen, vorgebbaren Stellen Durchtrittsöffnungen freigelassen werden, wodurch ein vorgebbares Strömungsmuster für das Reaktionsmedium erreicht werden kann.

Der erfindungsgemäße Reaktor kann besonders bevorzugt als Modul ausgebildet sein, das in ein äußeres, einseitig geschlossenes Reaktionsrohr eingeschoben wer­ den kann.

Der erfindungsgemäße Rohrreaktor eignet sich besonders zur Durchführung von heterogen katalysierten Reaktionen, insbesondere von Flüssigphasenoxidationen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung und von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugsziffern glei­ che oder entsprechende Merkmale.

Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Rohrreaktor mit Schnitt A-A für den Fall eines kreisförmigen Reaktorquerschnittes in Fig. 1a und Schnitt A-A in Fig. 1b für den Fall eines Reaktors mit quadratischem Querschnitt sowie mit der Explosionsdarstellung der Wärmetauscherplatten in Fig. 1c,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors mit Schnitt A-A in Fig. 2a für den Fall ei­ nes Rohrreaktors mit kreisförmigem Querschnitt und Schnitt A-A in Fig. 2c für den Fall eines Rohrreaktors mit quadratischem Querschnitt, Schnitt B-B in Fig. 2b für einen Rohrreaktor mit kreisförmigem Quer­ schnitt und Schnitt B-B in Fig. 2d für einen Rohrreaktor mit quadrati­ schem Querschnitt,

Fig. 3 einen Rohrreaktor mit statischen Mischern, mit Schnitt A-A in Fig. 3a für einen Rohrreaktor mit kreisförmigem Querschnitt und Schnitt A-A Fig. 3b für einen Reaktor mit quadratischem Querschnitt,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Rohrreaktor mit in Reaktorlängsrichtung angeordneten Wärmetauscherplatten mit Schnitt A-A Fig. 4a,

Fig. 5 einen Rohrreaktor mit in Reaktorlängsrichtung angeordneten konzentri­ schen, rohrförmigen Wärmetauscherplatten, mit Schnitt A-A Fig. 5a,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen Rohrreaktor mit Wärmetauscherplatten, die alternierend in der Reaktormitte und an den Reaktorwänden Durch­ trittsöffnungen freilassen,
mit Schnitt A-A in den Fig. 6a (bei quadratischem Reaktorquer­ schnitt), 6b (bei kreisförmigem Querschnitt) und 6c (bei kreisförmigem Querschnitt des Rohrreaktors sowie auch der Wärmetauscherplatten), und mit Schnitt B-B
in den Fig. 6d (bei quadratischem Reaktorquerschnitt), Fig. 6e (bei kreisförmigem Querschnitt) und Fig. 6f (bei kreisförmigem Querschnitt des Rohrreaktors sowie auch der Wärmetauscherplatten),

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors mit einer besonderen Anordnung der Durchtrittsöffnungen für das Reaktionsmedium durch die Wärmetau­ scherplatten und

Fig. 8 einen Längsschnitt durch einen Rohrreaktor, der als Modul ausgebildet ist, und in ein äußeres, einseitig geschlossenes Reaktionsrohr eingescho­ ben ist.

Die in Fig. 1 dargestellte besondere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrreaktors 1 zeigt Wärmetauscherplatten 2, die senkrecht zur Längsrichtung des Rohrreaktors angeordnet sind, sowie Einrichtungen zur Zwischeneinspeisung von Edukten 3. Die Wärmetauscherplatten 2 sind im Rohrreaktor mit zunehmen­ dem Abstand in Richtung der Durchströmung des Rohrreaktors durch das Reak­ tionsgemisch angeordnet.

Fig. 1a stellt den Schnitt A-A dar, für den Fall, daß der Rohrreaktor einen kreis­ förmigen Querschnitt, Fig. 1b für den Fall, daß der Reaktor einen quadratischen Querschnitt hat. Aus den Fig. 1a und 1b ist zu erkennen, daß die Wärmetau­ scherplatten 2 den Reaktorquerschnitt nicht vollständig ausfüllen, sondern Durch­ trittsöffnungen freilassen. Weiterhin sind Einrichtungen für die Zu- bzw. Abführung von Wärmetauschmittel zu erkennen. Die Explosionsdarstellung in Fig. 1c die Zu- bzw. Abführung des Wärmetauschmittels über die Wärmetauscherplatten 2 sowie die Anordnung derselben unter Freilassung alternierender Durchtritts­ querschnitte.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Rohrreaktors, die insbesondere für höhere Reaktionsgemischströme ge­ eignet ist. Abweichend von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind zusätzliche Wärmetauscherplatten 4 vorgesehen, die zwischen den alternierende Durchtrittsöffnungen freilassenden Wärmetauscherplatten 2 angeordnet sind.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrreaktors, wonach die alternierende Durchtrittsöff­ nungen freilassenden Wärmetauscherplatten als statische Mischer ausgebildet sind.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Rohrreaktors mit quadratischem Reaktorquerschnitt, mit Wärmetau­ scherplatten in Reaktorlängsrichtung. Die Wärmetauscherplatten sind beispielhaft mit alternierender Längsausdehnung ausgebildet.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines kreisförmigen Rohrreaktors mit Wärmetauscherplatten, die als beispielhaft gleichmäßig beab­ standete, konzentrische Rohre mit abnehmender Länge zur Reaktorhauptachse hin, ausgebildet sind.

Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rohrreaktor mit Wärmetauscherplatten 2, die alternierend Durchtrittsöffnungen im Reaktorzen­ trum und an der Reaktorinnenwand freilassen.

Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rohrreaktor, worin Wärmetauscherplatten 2 beispielhaft dergestalt angeordnet sind, daß jeweils aufeinanderfolgende Wärmetauscherplatten zunächst eine Durchtrittsöffnung im Reaktorzentrum, anschließend eine Durchtrittsöffnung in Form eines Ringes, der vom Reaktorzentrum beabstandet ist und schließlich Durchtrittsöffnungen in Form zweier konzentrischer Ringe, die beispielhaft gleichmäßig vom Reaktor­ zentrum beabstandet sind, aufweichen. Durch die besondere Anordnung der Wärmetauscherplatten in Fig. 7 läßt sich ein vorgebbares Strömungsmuster für das Reaktionsgemisch erreichen.

Fig. 8 zeigt schematisch einen als Modul ausgebildeten erfindungsgemäßen Re­ aktor, der in ein äußeres einseitig geschlossenes Reaktionsrohr 5 eingeschoben werden kann.

Claims (11)

1. Rohrreaktor (1) mit Einrichtungen zur Wärmeübertragung über ein Wär­ metauschmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Wär­ meübertragung Wärmetauscherplatten (2) sind.

2. Reaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme­ tauscherplatten (2) senkrecht zur Hauptachse des Reaktors angeordnet sind, unter Freilassung von Durchtrittsöffnungen für das Reaktionsgemisch.

3. Reaktor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme­ tauscherplatten (2) in ungleichen, insbesondere zunehmenden Abständen zueinander angeordnet sind.

4. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherplatten (2) alternierend Durchschnittsöffnungen an der Reaktorwand freilassen, insbesondere daß sie als unvollständige, beson­ ders bevorzugt als Zweidrittel-Scheiben ausgebildet sind.

5. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Wärmetauscherplatten (2), die alternierende Durchtrittsöffnungen an der Rohrinnenwand freilassen, eine oder mehrere zusätzliche Wärmetauscherplatten (4) angeordnet sind, die jeweils Durchtrittsöffnungen an beiden gegenüberliegenden Rohrinnen­ flächen freilassen.

6. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die alternierende Durchtrittsöffnungen freilassenden Wärme­ tauscherplatten (2) als statische Mischer ausgebildet sind.

7. Reaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme­ tauscherplatten (2) parallel zur Hauptachse des Reaktors (1), insbesondere als konzentrische, bevorzugt gleichmäßig beabstandete Rohre ausgebildet sind.

8. Reaktor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetau­ scherplatten (2) mit unterschiedlicher Längenausdehnung, insbesondere mit abnehmender Länge zur Reaktorlängsachse hin ausgebildet sind.

9. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherplatten (2) alternierend Durchtrittsöffnungen im Re­ aktorzentrum und an der Reaktorinnenwand freilassen.

10. Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er als Modul ausgebildet ist, das in ein äußeres, einseitig geschlossenes Reaktionsrohr eingeschoben werden kann.

11. Verwendung des Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Durch­ führung von heterogen katalysierten Reaktionen, insbesondere von Flüssig­ phasenoxidationen.