DE10032302A1 - Tubular reactor used for carrying out heterogeneous catalyzed reactions, especially liquid phase oxidations has heat exchanger plates for transferring heat - Google Patents
Tubular reactor used for carrying out heterogeneous catalyzed reactions, especially liquid phase oxidations has heat exchanger plates for transferring heatInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Rohrreaktor mit Einrichtungen zur Wärmeübertra gung sowie eine Verwendung des Reaktors.The invention relates to a tubular reactor with devices for heat transfer supply and use of the reactor.
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.Tube reactors are reactors with a long length in relation to the diameter, the lower limit for the length / diameter ratio is about 5. In relation to the theoretically endless length, diameters are up to one Un limit of approx. 100 mm is usual. You will be in chemical reaction engineering used especially for the production of polyethylene. To the reaction dissipate heat, or to dec. the heat requirement of endothermic reactions Ken it is known to use tubular reactors with facilities for heat transfer allow, for example with an outer double jacket, welded on the outside th half-shells or coils on the reactor wall and / or in Tube reactor are arranged.
Wegen der Längsströmung des Reaktionsmediums ist der Wärmeübergang an der Reaktorwand jedoch begrenzt.Because of the longitudinal flow of the reaction medium, the heat transfer is on However, reactor wall limited.
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. For a variety of single or multi-phase reactions, Um Set and selectivity in a decisive way through a targeted heat transfer wearable. However, this is about the known facilities for heat Transfer of data is not possible or only possible to a limited extent.
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.The object of the invention was accordingly a tubular reactor with facilities for heat transfer to provide a locally targeted heat transfer and thus an improvement in sales and selectivity of che mix reactions guaranteed.
Die Erfindung geht aus von einem Rohrreaktor mit Einrichtungen zur Wärme übertragung über ein Wärmetauschmittel.The invention relates to a tubular reactor with facilities for heat transfer via a heat exchange medium.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen Wärmetauscher platten sind.The invention is characterized in that the devices heat exchangers plates are.
Wärmetauscherplatten und ihr Einsatz in zylindrischen Reaktoren sind bekannt, beispielsweise aus DE 199 29 487.9.Heat exchanger plates and their use in cylindrical reactors are known for example from 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.Surprisingly, it was found that heat exchanger plates also in Tube reactors with fundamentally different geometrical and therefore flow technical requirements compared to conventional cylindrical reactors, can be used, in particular that they are sufficient for this Have stability.
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.Heat exchanger plates are predominantly sheet-like structures, one with Infeed and discharge lines provided interior with a small thickness in the ratio to face. They are usually made from sheet metal, often from sheet steel chen, manufactured. Depending on the application, in particular the properties of the Reaction medium and the heat exchange medium can, however, special special corrosion-resistant, materials are used. The increase or decrease Guide devices for the heat exchange medium are usually ent to each other opposite ends of the heat exchanger plates arranged.
Die Wärmetauscherplatten müssen im Rohrreaktor dergestalt angeordnet sein, daß eine Durchströmung des Rohrreaktors durch das Reaktionsmedium möglich ist. The heat exchanger plates must be arranged in the tubular reactor in such a way that a flow through the tubular reactor through the reaction medium is possible.
Eine besonders geeignete Anordnungsmöglichkeit besteht darin, die Wärmetau scherplatten senkrecht zur Hauptachse des Rohrreaktors auszurichten, unter Frei lassung von Durchtrittsöffnungen für das Reaktionsgemisch.A particularly suitable arrangement option is the heat accumulation Align the shear plates perpendicular to the main axis of the tubular reactor, under Clear opening of passage openings for the reaction mixture.
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.The heat exchanger plates can basically be at any intervals be arranged in the tubular reactor, whereby a targeted adaptation to the required heat profile, depending on the type of chemical reaction to be carried out, is possible. For example, it is possible to carry out reactions with high heat development at the beginning of the reaction, the plate spacing initially narrower and as the reaction progresses, in the further course of the tubular reactor, too spacing from each other.
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.The heat exchanger plates arranged perpendicular to the main axis can before trains are designed in such a way that they alternately pass through cross sections free the reactor wall. This creates a meandering flow of the reaction medium. The alternating passage cross-sections Heat exchanger plates can in particular as incomplete disks, in particular which are preferably designed as two-thirds slices.
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.An arrangement of the heat exchangers is used for larger reaction mixture flows plates preferred, the lower pressure drop of the reaction mixture causes: for this purpose, between two successive heat accumulations shear plates, the alternating openings on the inner tube wall free leave one or more additional heat exchanger plates arranged, each because passage openings for the reaction mixture are opposite on both leave the pipe inner surfaces free.
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.According to a further preferred embodiment variant, it is possible at least least the alternating passage openings leaving the heat exchanger plates free to be designed as a static mixer. As a static mixer are known in Refers to devices that cause mixing processes without moving parts, by dividing, reorienting and reuniting fluid flows. This configuration has a particularly advantageous effect on the residence time spectrum which can be approximated to that of the plug flow. Furthermore it is possible in this embodiment, additional educt streams as intermediate Feeds after the start of the pipe are particularly quick and uniform with the Mix main stream of the reaction mixture. Stati also have an effect cal mixers, especially in multiphase systems the flow out. Especially heat and mass transfer processes thereby improved.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist es möglich, die Wärmetauscherplatten parallel zur Hauptachse des Rohrreaktors, insbesondere als konzentrische, bevor zugt gleichmäßig beabstandete Rohre auszubilden.In a further embodiment variant, it is possible to use the heat exchanger plates parallel to the main axis of the tubular reactor, especially as a concentric one, before trains evenly spaced pipes.
Besonders bevorzugt können hierbei die Wärmetauscherplatten mit unterschiedli cher Längenausdehnung ausgebildet sein, insbesondere mit abnehmender Länge zur Reaktorlängsachse hin.In this case, the heat exchanger plates can be particularly preferably different cher linear expansion be formed, in particular with decreasing length towards the longitudinal axis of the reactor.
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.It is possible to adjust the heat rope perpendicular to the longitudinal axis of the reactor form shear plates in such a way that they alternate passage openings Release the gene in the reactor center and on the inside of the reactor. Such Design of the heat exchanger plates ensures an improved flow of the tubular reactor through the reaction medium.
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. Finally, it is possible to use the pipe perpendicular to the main axis to arrange actuator-oriented heat exchanger plates in the reactor in the manner that passage openings are left open at any predetermined points, whereby a predeterminable flow pattern for the reaction medium is achieved can be.
Der erfindungsgemäße Reaktor kann besonders bevorzugt als Modul ausgebildet sein, das in ein äußeres, einseitig geschlossenes Reaktionsrohr eingeschoben wer den kann.The reactor according to the invention can particularly preferably be designed as a module be inserted into an outer reaction tube that is closed on one side that can.
Der erfindungsgemäße Rohrreaktor eignet sich besonders zur Durchführung von heterogen katalysierten Reaktionen, insbesondere von Flüssigphasenoxidationen.The tubular reactor according to the invention is particularly suitable for carrying out heterogeneously catalyzed reactions, especially of liquid phase oxidations.
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.The invention is based on a drawing and of execution examples explained in more detail. In the figures, the same reference numbers denote the same che or equivalent features.
Es zeigen im einzelnen:The individual shows:
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. 1 shows a longitudinal section through a first inventive tubular reactor section AA in the case of a circular reactor cross-section in Fig. 1a and Section AA in Fig. 1b for the case of a reactor with a square cross-section and with the exploded view of the heat exchanger plates 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. 2 is a longitudinal section through a further preferred embodiment of a reactor according to the invention with section A in Fig. 2a ei nes for the case of the tube reactor with circular cross section and Section AA in Fig. 2c in the case of a tubular reactor having a square cross-section BB in FIG. 2b for a tubular reactor with a circular cross section and section BB in FIG. 2d for a tubular reactor with a square cross section,
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. 3 shows a tubular reactor with static mixers, with section A in Fig. 3a for a tubular reactor having a circular cross section and Section AA Fig. 3b, for a reactor with a square cross-section
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Rohrreaktor mit in Reaktorlängsrichtung angeordneten Wärmetauscherplatten mit Schnitt A-A Fig. 4a, Fig. 4 shows a longitudinal section through a tubular reactor having a reactor arranged in the longitudinal direction of the heat exchanger plates with section AA Fig. 4a,
Fig. 5 einen Rohrreaktor mit in Reaktorlängsrichtung angeordneten konzentri schen, rohrförmigen Wärmetauscherplatten, mit Schnitt A-A Fig. 5a, Fig. 5's a tube reactor having a reactor arranged in the longitudinal direction of concentric, tubular heat exchanger plates, with section AA 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. 6 shows a longitudinal section through a tubular reactor with heat exchanger plates which leave alternately in the reactor center and at the reactor walls through-openings,
with section AA in Fig. 6a (with a square reactor cross section), 6b (with a circular cross section) and 6c (with a circular cross section of the tubular reactor and also of the heat exchanger plates), and with section BB
in Figs. 6d (in square reactor cross section), Fig. 6e (with circular cross section) and Fig. 6f (with circular cross-section of the tubular reactor as well as the heat exchanger plates)
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. 7 shows a longitudinal section through a further preferred embodiment of a reactor according to the invention with a special arrangement of the passage openings for the reaction medium through the Wärmetau shear plates and
Fig. 8 einen Längsschnitt durch einen Rohrreaktor, der als Modul ausgebildet ist, und in ein äußeres, einseitig geschlossenes Reaktionsrohr eingescho ben ist. Fig. 8 is a longitudinal section through a tubular reactor which is designed as a module, and is inserted into an outer, one-sided closed reaction tube ben.
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.The particular embodiment of a tubular reactor 1 according to the invention shown in FIG. 1 shows heat exchanger plates 2 , which are arranged perpendicular to the longitudinal direction of the tubular reactor, as well as devices for the intermediate feeding of starting materials 3 . The heat exchanger plates 2 are in the tubular reactor with the distance increasing in the direction of flow of the tube reactor by the reac tion mixture disposed.
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. 1a shows the section AA, in the event that the tubular reactor has a circular cross-section, Fig. 1b for the case that the reactor has a square cross-section. From Fig. 1a and 1b can be seen that the Wärmetau shear plates 2 do not completely fill the reactor cross-section, but leave free through openings. Furthermore, devices for the supply and discharge of heat exchangers can be seen. The exploded view in Fig. 1c the supply or discharge of the heat exchange medium via the heat exchanger plates 2 and the arrangement of the same with the release of alternating passage cross-sections.
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. 2 shows a longitudinal section through an embodiment of a tubular reactor according to the Invention, which is particularly suitable for higher reaction mixture streams ge. Deviating from the embodiment shown in FIG. 1, additional heat exchanger plates 4 are provided, which are arranged between the heat exchanger plates 2 leaving open alternating openings.
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. 3 shows a longitudinal section through a further preferred embodiment of a tubular reactor according to the invention, according to which the alternating passage openings leaving heat exchanger plates are designed as static mixers.
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. 4 shows a longitudinal section through an embodiment of a tubular reactor according to the Invention with a square reactor cross-section, with Wärmetau shear plates in the longitudinal direction of the reactor. The heat exchanger plates are designed, for example, with alternating longitudinal expansion.
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. 5 shows a longitudinal section through an embodiment of a circular tube reactor with heat exchanger plates, which are designed as exemplarily evenly spaced, concentric tubes with decreasing length towards the main reactor axis.
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rohrreaktor mit Wärmetauscherplatten 2, die alternierend Durchtrittsöffnungen im Reaktorzen trum und an der Reaktorinnenwand freilassen. Fig. 6 shows a longitudinal section through a tubular reactor according to the invention with heat exchanger plates 2 , the alternating passage openings in the reactor center and free on the inner wall of the reactor.
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. 7 shows a longitudinal section through a tubular reactor according to the invention, in which heat exchanger plates 2 are arranged, for example, such that successive heat exchanger plates first have a passage opening in the reactor center, then a passage opening in the form of a ring which is spaced from the reactor center and finally passage openings in the form of two concentric rings which are, for example, evenly spaced from the center of the reactor. A special flow pattern for the reaction mixture can be achieved by the special arrangement of the heat exchanger plates in FIG. 7.
Fig. 8 zeigt schematisch einen als Modul ausgebildeten erfindungsgemäßen Re aktor, der in ein äußeres einseitig geschlossenes Reaktionsrohr 5 eingeschoben werden kann. Fig. 8 shows schematically a module designed as a re actuator according to the invention, which can be inserted into an outer closed reaction tube 5 .
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