DE1767033A1 - Reaktionskessel fuer exotherme,katalytische Reaktionen - Google Patents
Reaktionskessel fuer exotherme,katalytische ReaktionenInfo
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Description
Patentanwälte
Dipl.-Chem. I. SCHULZE Dipl.-Ing. E. GUTSCHER
09 HEIDELBERG 1 GaisbergstraBe 3
Telephon 23269
Abs. Dipl.-Chem. I. Schulze, Dlpl.-Ing. E. Gutscher, Patentanwälte
6900 Heidelberg, GalsbergstraSe 3
UNSERZEICHEN: 1702 SG9
IHR ZEICHEN:
Anmelder: Reichhold Chemicals, Inc., White Plains, Westchester, New York, V. St. A.
Reaktionskessel für exotherme, katalytische Reaktionen
Die Erfindung betrifft eine aus einem Reaktionskessel bestehende
Vorrichtung zur Durchführung hochexothermer katalytischer. Reaktionen, insbesondere der Dampfphasen-Oxydation
von Alkoholen zu Aldehyden, wie beispielsweise in den USA-Patentschriften 2 8l2308, 2 812 309, 2 812 310, 2 849 492,
2 849 493, 2 852 564 und 2 973 326 beschrieben ist, bei der
die Temperatur solcher Reaktionen innerhalb genauer Grenzen
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gehalten und dadurch die theoretischenoptimalen Bedingungen mit handelsüblichen Vorrichtungen erreicht werden.
Es ist bekannt, dass bei katalytisehen Dampfphasen-Oxydationssystemen
mehr des gewünschten Oxydationsproduktes und weniger unter- oder überoxydierte Verbindungen gebildet v/erden,
wenn die Katalysatortemperatur bei einer genauen Höhe oder innerhalb eines engen, dem bestimmten Katalysator und
der zu oxydierenden Substanz angepassten Bereiches gehalten wird,
Da die meisten katalytischen organischen Dampfphasen-Oxydationen ausserordentlich exotherm sind, ist es zur Bestimmung
des Oxydationsgrades des gewünschten Reaktionsproduktes überaus wichtig, die Entfernung von Wärme aus der Reaktionszone
richtig zu steuern.
Im Laboratorium können die Bedingungen für die Wärmeübertragung
leicht in einer einzigen Röhre ermittelt werden, und zwar entweder durch verstärkten Umlauf, wobei ein einziges flüssiges
Wärmeaustauschmittel mit hoher Geschwindigkeit gepumpt wird. Als Wärmeaustauschmittel dienen hochsiedende Plüssigkeiten,
wie beispielsweise geschmjjtiolzene Salze oder geschmolzene
Metalle od. dgl. Es kann auch Zweiphasen-Mltbel verwendet
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werden, wie ζ. B. Wasserj Glycerin oder das unter dem Namen
"Dowtherm" bekannte Produkt, sowie andere Stoffe, die im
entsprechenden Temperaturbereich sieden. In der Praxis werden aber gewöhnlich eine Vielzahl von parallel angeordneten
Röhren verwendet und die idealen Bedingungen, die bei einer einzigen Röhre erreicht werden, können wegen der zwangsläufigen
Nähe der einzelnen Röhren zueinander, hier nicht erzielt
werden, so dass einige der bei einem Einröhrensysteifl
als ideal erkannten Bedingungen zunichte gemacht werden. Es ist leicht einzusehen, dass eine gleichmässige Verteilung
eines Einphasensystems oder eine gleichmässige Verteilung von Dampf und Flüssigkeit in einem Zweiphasensystem in einer
Mehrröhrenanlage schwer zu erhalten ist.
Wenn aber die Strömungswiderstände der Flüssigkeit oder des Dampfes, also des Mittels, das ^ ede Röhre in einem Mehrröhren-Reaktionskessel
umgibt, nicht gleich sind, bewirkt der durch den Widerstandsunterschied hervorgerufene, etwas niedrigere oder höhere Druck auch einen Unterschied in der Siedetemperatur
des die entsprechende Röhre umgebenden Zweiphasen-Wärineaustauschmittels,
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Auf diese Weise wird automatisch das Temperaturgefälle zwischen dem dichten Katalysatorbett und dem Wärmeaustausehmittel
verändert und es treten unterschiedliche Bedingungen auf. Höhere Widerstände bewirken eine höhere Siedetemperatur,
wodurch die Oxydation innerhalb der Röhre in einer früheren Stufe beginnt, wobei dies sich eher auf die Entfernung als
auf die Zeit bezieht. Ausserdem wird auch die Spitzentemperatur höher. Das Gegenteil tritt bei einer niedrigeren als
der Normaltemperatur ein.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zu schaffen, mit
deren Hilfe die Übertragung der exothermen Wärme von einem Katalysatorbett sehr genau überwacht und geregelt wird, und
bei der die Röhren mit einem siedenden flüssigen Wärmeaustauschmittel umgeben sind und die Plüssigkeits- und Dampfverteilung
und -bewegung innerhalb des Reaktionskessels gesteuert wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktionskessel für exotherme
katalytisch^ Reaktionen, bestehend aus einem äusseren Mantel mit einem Ein- und einem Auslass für das Wärmeaustauschmittel
und zwei Kopfstücken, zwischen denen innerhalb des Mantels eine Gruppe von mit einem Katalysatorbett gefüllten Röhren
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angeordnet ist und der dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen
den Röhren und der Innenwand des Aussenmantels ein Zwischenraum
vorgesehen ist, der Einlass für·das flüssige Wärmeaustauschmittel
an der einen Seite des Mantels und der Auslass
für das dampfförmige Wärmeaustauschmittel an der entsprechend
gegenüberliegenden Seite des Mantels angebracht
ist, die Gruppe der Röhren näher an der Einlass- als an der Auslass-Seite angeordnet ist, derart, dass zur proportionalen
Steuerung der Verteilung und Bewegung sowohl der flüssigen
als auch der dampfförmigen Bestandteile des Wärmeaustauschmittels
im Mantel der für den Umlauf vorgesehene Raum beim Einlass enger ist als beim Auslass,
In bestimmten Fällen, bei denen die Temperaturdifferenz zwischen dem Katalysatorbett und dem Wärmeaustauschmittel den
Siedebereich des verwendeten Wärmeaustauschers übersteigt, kann ein zusätzlicher Umlauf zu und vom Reaktionskessel bewirkt
werden, damit jede Röhre genauer ihren proportionalen Anteil an Flüssigkeit und Dampf erhält. Dieser Umlauf kann,
falls er erforderlich ist, durch Ausnutzung der natürlichen
Energie erhalten werden, die durch die exotherme Wärme des Katalysatorbettes dem Wärmeaustauschmittel mitgeteilt wird.
Eine Umwälzung durch eine Pumpe ist nicht nötig. .
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert.
Fig. 1 ist ein waagerechter Schnitt durch einen Mehrröhrenreaktionskesser,
im wesentlichen entlang der Linie 1 - 1 in Fig. 2;
Fig. 2 ist ein Axialschnitt durch den Reaktionskessel, im
wesentlichen entlang der Linie 2 - 2 in Fig. 1; und Fig. 3 ist eine graphische Darstellung von Temperaturkurven.
Der Reaktionskessel 10 besteht aus einem runden oder zylindrisehen
Aussenmantel 11, dessen Mitte in Fig. 1 mit 12 bezeichnet ist. Der Mantel 11 weist Kopfstücke 13, 14 auf, von denen
das Kopfstück 13 mit einem Einlass 15 für exotherme Gase und
das andere Kopfstück 14 mit einem Auslass ΐβ für die Reaktionsprodukte
versehen ist.
Im Mantel 11 sind eine Vielzahl von Röhren Yj untergebracht,
die mit je einem Katalysatorbett YJ f gefüllt sind. Die Röhren
können in einem Kreis angeordnet sein, dessen Aussenumfang mit l8 bezeichnet ist. Der Mittelpunkt dieses Kreises befindet
sich bei 19* wie in Fig. 1 gezeigt ist. Der Mantel 11 des
Reaktionskessels ist ferner mit einer Einlassleitung 20 für ein flüssiges Wärmeaustauschmittel sowie mit einer Auslasslei-
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tung 21 für Dampf versehen. Diese Dampfauslassleitung ist
mit einem Überlaufkessel 22 verbunden. Eine Dampfauslassleitung 25 führt von der oberen Deckwand des Überlaufkessels
22 zu einem entsprechenden Kondensator, wie er beispielsweise
in der genannten USA-Patentschrift 2 852 564 beschrieben ist.
Natürlich können auch andere Kondensatoren verwendet werden.
Der Boden des Überlauf kesseis 22 ist mit einer Rücklauf lei- (j|
tung 24 für Flüssigkeit versehen, die an der FlUsslgkeits-Einlassleitung
20 angeschlossen ist. Noch eine weitere Flüssigkeitsleitung
25 ist mit der Rücklaufleitung 24 verbunden,
die kälteres flüssiges Wärmeaustaüschmittel von der Kondensationszone
zurückführt.
Die innere Strömung von Flüssigkeit und Dampf im Reaktormantel
11 ist durch den Pfeil 26 dargestellt. Der lotrechte innere Dampfraum ist durch die Entfernung 27 angegeben und charakteristische
waagerechte Querschnitte von Vertikalbereionen des %
Raumes zwischen dem Mantel 11 und dem Kreisumfang 18 der Röhrenanordnung
einschliesslieh des darüberliegenden Dampf raumes sind durch die Bezugszeichen 28 und 29 gezeigt.
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. Zur Veranschaulichung ist eine der Röhren 17 mit dem Bezugszeichen 17a versehen und nahe der Einlassleitung 20 für die
Flüssigkeit angeordnet. Eine mit 17b bezeichnete Röhre befindet
sich in der Nähe der Dampfauslassleitung 21. Es wird deutlich, dass dann, wenn die Entfernungen 28 und 29 gleich
wären und der Mittelpunkt 19 des Kreises 18 mit der Mitte 12 des Aussenmantels 11 zusammenfallen würde, wie das bei der
Vorrichtung gemäss der USA-Patentschrift 1 6oH- 739 der Fall
ist, gäbe es einen Unterschied zwischen dem Widerstand der die Röhre 17a verlassenden Dampfströmung und dem Widerstand
der die Röhre 17b verlassenden Dampfströmung. Der Dampfstrom
von der Röhre 17a müsste nämlich einen weiteren Weg zurücklegen und würde gleichzeitig mit dem Dampfstrom aus den zwischen
den Röhren 17a und 17b liegenden Röhren zusammengebracht. So wie
aber das vereinigte Volumen des Dampfes grosser wird, steigt der Widerstand und daher ist es für die gleiche Menge Dampf
viel schwieriger, die Röhre 17a zu verlassen, als für diejenige, die gleichzeitig aus der Röhre 17b heraustritt. Unter
den gleichen Bedingungen, wenn kältere Flüssigkeit in die Einlassleitung 20 eindringt, wird der Widerstand gegen die
Flüssigkeitsströmung für die Röhre 17b grosser als für die Röhre 17a. Diese Bedingungen treten auf, gleichgültig, ob
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eine oder mehrere Flüssigkeitseinlass- oder Dampfauslassleitungen
vorgesehen sind. Auch wenn der Raum zwischen dem Mantel 11 und dem durch die Anordnung der Röhren gebildeten
Kreis l8 vollständig offen gelassen würde, beispielsweise
durch eine kontinuierliche öffnung im Mantel oder durch Ausdehnen
des Mantels, um den Widerstandsunterschied vernachlässigbar zu machen, würde die die inneren Röhren nahe der Mittelpunkte
12, 19 verlassende Dampf- und Flüssigkeitsmenge einem grösseren Widerstand begegnen, als diejenige, die am
Umfang des Röhrenkreises austritt. Dies hätte zur Folge, dass immer noch in einigen Bereichen des Reaktionskessels ein
leichter'Unterschied in der Dampf- und Flüssigkeitsströmung
auftreten würde, Ausserdem würde durch eine unverhältnismässige VergrÖsserung des Mantels 11 die Flüssigkeitsverteilung
durch einen sehr grossen Aussenraum weiter ungünstig beeinflusst, so dass die Röhren am Umfang des Kreises 1.8 kälter
wären als diejenigen in der Nähe der Mittelpunkte 12, 19. Auf
diese Weise würde der proportionale Umlauf des Wärmeaustauschmittels
wieder beeinträchtigt werden.
Erfindungsgemäss werden die Schwierigkeiten der Strömungsverteilung
dadurch ausgeschaltet, dass der Mittelpunkt 19 der
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Röhrenkuelses l8 seitlich vom Mittelpunkt 12 des Mantels 11
in Richtung der Flüssigkeitseinlassleitung 20 und dadurch weg von der Dampfauslassleitung 21 verschoben wird. Diese
exzentrische Anordnung des Röhrenkrelses 18 in Bezug auf den Mantel 11 hat einen Unterschied im horizontalen Querschnitt
des die Röhren umgebenden Raumes zur Folge, wie bei W 28 und 29 ersichtlich ist. So ist beispielsweise der Raumquerschnitt
bei 29 verhältnismäßig eng, wodurch die Dampfströmung
und die gewünschte Flüssigkeitsströmung ebenfalls klein sind. Andererseits ist der Raumquerschnitt 28 verhältnismässig
gross, um in diesem Bereich eine grössere Dampfströmung aufzunehmen. Gleichzeitig wird die durch die Einlassleitung
20 eintretende Flüssigkeit in den Raum mit dem kleinsten Querschnitt eingeführt, wodurch ein höhererWiderstand
auftritt, der es gestattet, dass mehr Flüssigkeit vorzugsweise gegen die Röhre 17b fliesst. Es wurde gefunden, dass
es vorteilhaft ist, den Raumquerschnitt so auszubilden, dass eine konstante Geschwindigkeit gewährleistet ist, wodurch an
jeder Stelle im gesamten Reaktionskessel ein gleichmässigerer Widerstand der Flüssigkeits- und der Dampfströmung entgegenwirkt
.
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- li -
Ausserdenwurde gefunden, wie in der USA-Patentanmeldung
Ser. No. 646 110 beschrieben ist, dass durch eine selbsttätige
Strömung Vorteile erzielt werden können. Hierbei wird die Dimension des Dampfraumes 27 aufrechterhalten,
derart, dass der Flüssigkeitsspiegel des Wärmeaustauschmittels durch die Leitung 21 im Kessel 22 fortgesetzt wird.
Der aus der Kondensationszone zurückgeführte kondensierte ™
Dampf ist verhältnismässig kalt und nach Vermischen mit. der verhältnismässig heissen Flüssigkeit im Kessel 22 erhöht er
die Dichte der durch die Einlassleitung 20 in den Reaktionskessel eintretenden Flüssigkeit ausreichend, um eine hohe
natürliche oder Thermosiphon-Umlaufgeschwindigkeit zu erzeugen.
Auf diese Weise wird eine Umwälzpumpe, beispielsweise gemäss dem USA-Patent 2 852 564 überflüssig.
Erfindungsgemässe Vorrichtung eignet sich für grosse Anlagen
zur wirtschaftlichen Herstellung organischer Aldehyde aus Alkohol, insbesondere von Formaldehyd durch Dampfphasenoxydation
aus Methanol, wobei als Zweiphasen-Wärmeübertragungsmittel das unter dem Namen "Dowtherm" bekannte Gemisch aus Diphenyl und
Diphenyloxyd verwendet wird. Natürlich lassen sich auch andere Reaktionen durchführen.
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7 O 3 3'
Pig. 3 zeigt Temperaturkurven der Röhren 17ä und 17b eines
Reaktionskessels, wie er in den USA-Patentschriften 1 6θ4
oder 2 852 564 beschrieben ist. Es ist zu sehen, dass die
Röhre 17a eine etwas grössere Wirksamkeit durch einen früheren
Temperaturanstieg und einer höheren Temperaturspitze vor dem Kühlen zeigt als die Röhre 17b. Bei tatsächlichen
Messungen wurde eine Tiefenverschiebung, angegeben mit 30, bis zu 15*25 cm der Röhrenlänge und eine Temperaturverschiebung,
angegeben bei 31» mit einer Differenz bis zu 60° G festgestellt.
Bei Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung und dem damit
zusammenhängenden erfindungsgemässen Verfahren wurde eine
Tiefenverschiebung 30 bis zu höchstens 2,5^ cm der Röhrenlänge
oder weniger und eine Temperaturverschiebung 31 von höchstens 30° C ermittelt, vorausgesetzt, dass die ringförmige
Geschwindigkeit sowohl der Flüssigkeit als auch des Dampfes
in dem die Reaktionsröhren umgebenden Raum verhältnismässig konstant gehalten wird.
Bei der Methanoloxydation zu Formaldehyd, bei der weder ein Umwälzen durch eine Pumpe, gemäss der USA-Patentschrift
2 852 564 oder der Thermosiphonströmung gemäss der oben ge-
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nannten USA-Patentanmeldung, verwendet wurde, zeigte sich
eine Tiefenverschiebung 30 von höchstens 5jO8 cm der Röhrenlänge
oder weniger und die TemperaturverSchiebung 31 betrug höchstens 40° C# Alle anderen Arbeitsbedingungen waren
.5 ähnlich.
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Claims (1)
1. Reaktionskessel für exotherme, katalytische Reaktionen, bestehend
aus einem äusseren Mantel mit einem Ein- und einem Auslass für das Wärmeaustauschmittel und zwei Kopfstücken,
W zwischen denen innerhalb des Mantels eine Gruppe von mit einem Katalysatorbett gefüllten Röhren angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Röhren (17) und der Innenwand des Aussenmantels (ll) ein
Zwischenraum vorgesehen ist, der Einlass (20) für das flüssige Wärmeaustauschmittel an der einen Seite des Mantels (ll)
und der Auslass (21) für das dampfförmige Wärmeaustauschmittel an der entsprechend gegenüberliegenden Seite des Mantels
(11) angebracht ist, die Gruppe der Röhren (17) näher an der Einlass- als an der Auslass-Seite angeordnet ist, derart,
dass zur proportionalen Steuerung der Verteilung und Bewegung sowohl der flüssigen als auch der dampfförmigen Bestandteile
des Wärmeaustauschmittels im Mantel (11) der für den Umlauf vorgesehene Raum (29, 28) beim Einlass (20) enger ist
als beim Auslass (21)·
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2« Reaktionskessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Mittelpunkt (19) der Röhrengruppe seitlich vom
Mittelpunkt (12) des Mantels (ll) gegen den Einlass (20)
und weg vom Auslass (21) .verschoben ist.
5. Reaktionskessel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Mantel (11) des Reaktionsgefässes zylin- w drisch ist und die darin befindlichen Röhren (17) in einem
Kreis (18) angeordnet sind, der in Bezug auf den zylindrischen
Mantel exzentrisch Hegt.
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