DE19852894A1

DE19852894A1 - Verfahren zur Gewinnung von gasförmigen Produkten durch katalytische Gasphasenreaktion und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Publication number: DE19852894A1
Application number: DE19852894A
Authority: DE
Inventors: Werner Rudowski
Original assignee: GEA Luftkuehler GmbH
Current assignee: GEA Luftkuehler GmbH
Priority date: 1998-11-17
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: IT1307276B1; ITRM990702A0; FR2785832B1; KR100591704B1; DE19852894B4; FR2785832A1; KR20000035142A; ITRM990702A1

Abstract

Bei dem Verfahren und der dabei eingesetzten Vorrichtung wird vorgewärmte und mit einem Einsatzstoff, wie o-Xylol oder Naphthalin, beladene komprimierte Luft (9) in einem Reaktorgehäuse (2) in einer eine Aufheizeinheit (11) aufweisenden Heizstufe (HST) auf die Anspringtemperatur erwärmt und anschließend in mehreren aufeinander folgenden Oxidationsstufen (I-V) mit Katalysatoren (15, 27, 29, 31, 33) und Kühleinheiten (21, 28, 30, 32) jeweils zunächst über einen Katalysator (15, 27, 29, 31, 33) und dann über eine Kühleinheit (21, 28, 30, 32) geführt. Das letztlich mit PSA beladene Reaktionsgas (10) wird dann aus dem Reaktorgehäuse (2) der Desublimation zugeführt.

Description

Ein Produkt wie z. B. Phthalsäureanhydrid (PSA) wird durch gezielte Teiloxidation von o-Xylol oder Naphthalin bzw. einem Gemisch aus diesen beiden Einsatzstoffen in einem Reaktor gewonnen. Der zur Gewinnung notwendige Sauerstoff wird der Luft entnommen, die gleichzeitig als Trägergas dient. Bei den heute üblichen Anlagengrößen beträgt die angesaugte verdichtete und auf ca. 180°C vorgewärmte Luftmenge zwischen 20.000 und 100.000 Nm³/h. Der Einsatz stoff wird vor dem Reaktor in den vorgewärmten heißen Luftstrom gesprüht bzw. verdampft oder dampfförmig zuge mischt.

Die bekannten Reaktoren sind als Röhrenreaktoren ausge bildet. In diesen wird das Gemisch aus der Luft und dem Einsatzstoff an Katalysatoren zu PSA oxidiert. Hierbei entstehen als unerwünschte Nebenprodukte zu PSA Wasser, CO, CO₂, Maleinsäureanhydrid, Phthalid usw. Die Reaktion ist stark exotherm. Dazu wird bei den bekannten Röhren reaktoren der größte Teil der anfallenden Wärme über ein flüssiges Salzbad nach außen abgeführt. Ein weiterer Teil der Wärme wird in Form des auf ca. 380°C erhitzten und mit PSA beladenen Reaktionsgases abgeführt. Dieses Reak tionsgas wird nach dem Austritt aus dem Reaktor in Wärme austauschern auf ca. 170°C gekühlt und schließlich in Abscheider geleitet, in denen das PSA durch Desublimation gewonnen wird.

Die bekannten Röhrenreaktoren besitzen zwischen einer oberen Gaseintrittshaube und einer unteren Gasaustritts haube eine Vielzahl von Austauscherrohren (zwischen etwa 5.000 und 25.000). Diese Austauscherrohre werden vor der Inbetriebnahme der Röhrenreaktoren nahezu über die ge samte Länge mit einem Katalysator befüllt. Dazu wird die eigentliche aktive Katalysatormasse in der Regel auf ring- oder kugelförmige keramische Trägerkörper aufge bracht.

Im oberen Teil der Austauscherrohre wird das in die Röh renreaktoren eintretende Gemisch aus Luft und Einsatz stoffen durch die heißen Austauscherrohre auf Reaktions temperatur erhitzt. Danach erfolgt die Oxidation über mehrere Zwischenprodukte zum gewünschten Produkt PSA und den vorstehend erwähnten unerwünschten Nebenprodukten. Im Laufe dieser Oxidation steigt die Temperatur in den Aus tauscherrohren bis zum sogenannten "Hotspot" an und fällt dann zu den unteren Enden der Austauscherrohre hin wieder annähernd auf die Temperatur des die Austauscherrohre um gebenden flüssigen Salzbads ab. Über die unten liegenden Gasaustrittshauben verlässt das mit PSA beladene Reak tionsgas dann die Röhrenreaktoren.

Die die Austauscherrohre und auch die Reaktorgehäuse küh lenden flüssigen Salzbäder müssen in einer relativ auf wendigen Weise dauernd umgepumpt und gleichmäßig um alle Austauscherrohre geführt werden, damit eine unerwünschte Überoxidation an zu heißen Stellen bzw. eine unzurei chende Oxidation an zu kalten Stellen vermieden wird. Aus diesem Grund dürfen die flüssigen Salzbäder auch nur sehr geringe Temperaturdifferenzen von ca. 3°C aufweisen.

Die von den Salzbädern aufgenommene Wärme wird außerhalb der Reaktorgehäuse in Salzbadkühler in Form von Hoch druckdampf abgeleitet.

Aufgrund des Sachverhalts, dass das Gemisch aus Luft und Einsatzstoff, aber auch das mit PSA beladene Reaktionsgas im gesamten Temperaturbereich explosiv sind, müssen die Reaktorgehäuse in verschiedenen Bereichen durch große und zudem empfindliche Berstsicherungen geschützt werden.

Da die Röhrenreaktoren mit flüssigem Salz praktisch glei cher Temperatur gekühlt werden, lassen sich beim Stand der Technik keine optimalen Reaktionstemperaturen ein stellen. Vielmehr bildet sich je nach Katalysator ein ty pisches Temperaturprofil über die Rohrlänge aus mit einem "Hotspot" bei etwa 40% der Rohrlänge. Die Folge davon sind Bildung von unerwünschten Nebenprodukten, Überoxida tion und eine eng begrenzte Lebensdauer der Katalysato ren.

Um diese Nachteile wenigstens teilweise zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, zwei in Reihe geschaltete Röhrenre aktoren oder einen Röhrenreaktor mit zwei Reaktionszonen und getrennter Salzbadkühlung zu verwenden (europäische Patentanmeldungen 0 686 633 A1 und 0 453 951 A1). Da die Konstruktion, die Fertigung und der Betrieb solcher Röh renreaktoren sehr aufwendig sind, konnten diese sich bis lang in der Praxis nicht durchsetzen. Es ist auch tech nisch sehr schwierig, für alle Austauscherrohre in den Reaktorgehäusen die gleiche Kühlung zu erreichen. Dadurch kann nicht ausgeschlossen werden, dass im bekannten Fall in den vielen Tausend Austauscherrohren zum Teil un terschiedliche Reaktionen ablaufen.

Ein weiteres Problem ist das Befüllen der Austauscher rohre mit einer Katalysatormasse. Dieses Befüllen muss extrem sorgfältig erfolgen, damit jedes Austauscherrohr auch die gleiche Menge Katalysatormasse erhält und gas seitig den gleichen Druckverlust aufweist. Der Aufwand zum Füllen und Testen (ca. 3 bis 4 Wochen) ist demzufolge sehr hoch und unwirtschaftlich.

Ferner wird es mit zunehmender Beladung der Luft mit dem Einsatzstoff in einem Röhrenreaktor schwieriger und aufwendiger, die anfallende Wärme über das Salzbad abzu leiten. Grund hierfür ist die proportionale Zunahme der Reaktionswärme mit zunehmender Beladung der Luft mit PSA.

Außerdem sind luftseitig ein hoher Druckverlust und damit hohe Gebläsekosten nicht zu vermeiden.

Es ist auch eine ziemliche Gefahr der Bildung von Salz badlecks vorhanden. Des Weiteren bedürfen die bekannten Röhrenreaktoren lange Aufheiz- und Abkühlphasen. Auch ist die Inspektion der Röhrenreaktoren mit einer Reihe von Problemen verbunden.

Wie vorstehend schon erwähnt, entstehen bei hohen Bela dungen vermehrt unerwünschte Nebenprodukte, die destilla tiv nur aufwendig zu beseitigen sind. Man hat daher in der Praxis vereinzelt einen separaten Nachreaktor (Post- Reaktor) einem Hauptreaktor nachgeschaltet. In diesem Post-Reaktor wird ein Teil der Nebenprodukte verbrannt, ein sehr kleiner Teil auch zu PSA umgewandelt. In der Re gel wird dann das aus dem Hauptreaktor tretende Re aktionsgas vor dem Eintritt in den Post-Reaktor noch in einem Zwischenkühler vorgekühlt (DE 198 07 018 A1).

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung von gasför migen Produkten durch katalytische Gasphasenreaktion so wie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welche sowohl herstellungstechnisch als auch betriebstechnisch einfacher sind und welche es erlauben, auf einem höheren Sicherheitsstandard bei weniger Neben produkten eine größere Ausbeute an Produkten zu gewinnen.

Was die Lösung des verfahrenstechnischen Teils dieser Aufgabe anlangt, so besteht diese in den Merkmalen des Anspruchs 1.

Danach wird die gesamte Reaktion in einem Reaktorgehäuse in mehrere Schritte aufgeteilt. Zunächst wird das in das Reaktorgehäuse eintretende vorgewärmte und mit dem jewei ligen Einsatzstoff beladene Gas in einer Heizstufe auf die optimale Anspringtemperatur erhitzt. Im Anschluss an die Heizstufe wird das Gas in einer ersten Reaktionsstufe über eine Katalysatormasse geführt, wo eine erste Teil reaktion erfolgt. Danach wird das jetzt teilweise mit dem Produkt beladene Reaktionsgas in dieser Reaktionsstufe gekühlt, und zwar auf eine Temperatur, welche beim Durch strömen der nächsten Katalysatormasse eine optimale wei tere Teilreaktion gewährleistet.

Die Anzahl der Reaktionsstufen, welche von dem zunehmend mit dem Produkt beladenen Reaktionsgas durchströmt wer den, dürfte für einen praxisgerechten Betrieb zwischen 5 und 8 liegen. Die Kontaktzeit des Reaktionsgases mit der jeweiligen Katalysatormasse kann in den einzelnen Reaktionsstufen gleich oder auch unterschiedlich lang sein. Außerdem ist es möglich, eine Veränderung der An zahl der Reaktionsstufen sowohl hinsichtlich der Kataly satoren als auch der Kühlung vorzusehen, und zwar je nach Einsatzstoff, Beladungskonzentration oder Art der verwen deten Katalysatormasse.

Nach Beendigung der Reaktion tritt das mit dem Produkt beladene Reaktionsgas aus dem Reaktorgehäuse aus und wird der Gaskühlung und anschließenden Desublimation oder Kon densation zugeführt.

Die Strömungsrichtung des beladenen Gases bzw. des Reak tionsgases im Reaktorgehäuse kann beliebig sein. Insbe sondere wird sie jedoch vertikal oder horizontal sein.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass nunmehr ein flüssiges Salzbad komplett fortfällt. Demzufolge besteht auch keine Gefahr von Detonationen mehr, wenn durch eine Leckage Salz und organische Be standteile des Reaktionsgases spontan reagieren.

Ein weiterer bedeutender Vorteil der Erfindung ist die Ausbeutesteigerung an Produkt um einige Prozentpunkte. Der Grund liegt darin, dass für die einzelnen Reaktionsstufen maßgeschneiderte Katalysatormassen bei optimaler Reaktionstemperatur weniger Nebenprodukte und mehr Produkt erzeugen. Weniger Nebenprodukte bedeuten gleichzeitig eine einfachere Destillation des Rohprodukts und damit geringere Investitions- und Betriebskosten.

Die dem Reaktor zuzuführende Gasmenge sowie die Beladung mit dem Einsatzstoff können in weiten Grenzen variiert werden, da jeweils die Katalysatormasse optimal einge setzt werden kann.

Die erfindungsgemäße mehrstufige Reaktion hat gegenüber der Oxidation in einem Röhrenreaktor den Vorteil hoher Flexibilität. Ein Röhrenreaktor kann nur an einem Punkt optimal betrieben werden. Dies ist bedingt durch die Salzbadtemperatur mit den Auswirkungen auf die Beladung und die Ausbeute. Eine einmal festgelegte Katalysatorkom bination ist nicht mehr veränderbar. Die Erfindung er laubt es hingegen, immer optimale Betriebsweisen in den einzelnen Reaktionsstufen zu gewährleisten.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich z. B. um die katalytische Oxidation von Anthrazen zu Anthrachinon.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des grundle genden erfindungsgemäßen Verfahrens wird aber in den Merkmalen des Anspruchs 2 erblickt. Hierbei geht es um die Gewinnung von PSA.

Auch in diesem Fall wird zunächst die in das Reaktorge häuse eintretende vorgewärmte und mit dem jeweiligen Ein satzstoff beladene komprimierte Luft in einer Heizstufe auf die optimale Anspringtemperatur erhitzt. Im Anschluss an die Heizstufe wird die beladene Luft in einer ersten Oxidationsstufe über eine Katalysatormasse geführt, wo eine erste Teiloxidation erfolgt. Danach wird das jetzt teilweise mit PSA beladene Reaktionsgas in dieser Oxidationsstufe gekühlt, und zwar auf eine Temperatur, welche beim Durchströmen der nächsten Katalysatormasse eine optimale weitere Teiloxidation gewährleistet.

Die Anzahl der Oxidationsstufen, welche von dem zunehmend mit PSA beladenen Reaktionsgas durchströmt werden, dürfte für einen praxisgerechten Betrieb zwischen 5 und 8 lie gen. Die Kontaktzeit des Reaktionsgases mit der jeweili gen Katalysatormasse kann in den einzelnen Oxidationsstu fen gleich oder auch unterschiedlich lang sein. Außerdem ist es möglich, eine Veränderung der Anzahl der Oxidati onsstufen sowohl hinsichtlich der Katalysatoren als auch der Kühlung vorzusehen, und zwar je nach Einsatzstoff, Beladungskonzentration oder Art der verwendeten Katalysa tormasse.

Nach Beendigung der Oxidation tritt das mit PSA beladene Reaktionsgas aus dem Reaktorgehäuse aus und wird der Gas kühlung und anschließenden Desublimation zugeführt.

Um z. B. stets außerhalb der Explosionsgrenzen des Luft/Einsatzstoff-Gemischs zu bleiben, kann entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 3 in das mit PSA beladene Re aktionsgas auf seinem durch abwechselnde Teiloxidation an einer Katalysatormasse und anschließender Kühlung gekenn zeichneten Weg im Reaktorgehäuse zusätzlich Einsatzstoff eingespeist werden. Der Ort der Einspeisung liegt zweck mäßig ungefähr in der Mitte des Strömungswegs des Reak tionsgases im Reaktorgehäuse.

Damit Ablagerungen des Einsatzstoffs und/oder von PSA an kalten Teilen des Reaktorgehäuses verhindert werden, aber auch zur Verkürzung der Aufheizzeit beim Anfahren des Re aktors, können gemäß Anspruch 4 das Reaktorgehäuse und die Katalysatormassen vor dem Anfahren des Reaktors aufgeheizt werden. Dies kann mit Dampf geschehen. Es kön nen aber auch Thermoöl oder elektrischer Strom verwendet werden. Gelangt Dampf zur Anwendung, so sollte dieser einen möglichst hohen Druck aufweisen. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die erste Oxidationsstufe nach der Heizstufe mit einer hochaktiven Katalysatormasse auszu statten, damit hier die notwendige Temperatur während des Anfahrens durch die Reaktionswärme erreicht wird. Bei der Verwendung von Thermoöl wird zudem der Vorteil einer leichten Temperaturregelung erzielt. Außerdem kann das Thermoöl zur Beheizung in der Destillation verwendet wer den. Für den Ölkreislauf ist dann nur ein gemeinsamer Anfahrbrenner vorzusehen.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung wird in den Merkmalen des Anspruchs 5 erblickt. Danach kann die beim Kühlen anfallende Wärme zur Erwärmung der mit dem Einsatzstoff beladenen Luft in der Heizstufe benutzt wer den. Hierbei kann es sich um eine interne Wärmeverschie bung handeln. Dazu ist ein geeignetes Wärmeträgeröl von Vorteil.

Die gegenständliche Lösung der der Erfindung zugrundelie genden Aufgabe wird in den Merkmalen des Anspruchs 6 ge sehen.

Entsprechend diesen Merkmalen ist ein Reaktorgehäuse vor gesehen, das in Strömungsrichtung des vorgewärmten und mit dem Einsatzstoff beladenen Gases, insbesondere Luft, einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist. Die mit dem Einsatzstoff beladene Luft gelangt zunächst an eine Auf heizeinheit in der Heizstufe, wo die Luft auf die opti male Anspringtemperatur erhitzt wird. Diese Aufheizein heit kann außerdem so ausgebildet sein, dass sie durch ihren Widerstand als Gleichrichter wirkt. Aufgrund dessen wird der der Aufheizeinheit direkt nachgeschaltete Kata lysator der ersten Reaktionsstufe, insbesondere Oxida tionsstufe, über den gesamten Querschnitt mit fast gleichmäßiger Luftgeschwindigkeit und -temperatur beauf schlagt, was sich dann auch in den nachfolgenden Reak tionsstufen mit Vorteil bemerkbar macht.

Der Aufheizeinheit sind in mehreren Reaktionsstufen ab wechselnd Katalysatoren zur Teilreaktion, insbesondere zur Teiloxidation von Produkt, insbesondere von PSA, und Kühleinheiten zur Kühlung des Reaktionsgases auf die op timale Reaktionstemperatur des jeweils nachfolgenden Ka talysators vorgesehen. Die Bettlängen der diversen Kata lysatoren können gleich oder unterschiedlich sein.

Nach Anspruch 7 sind die Anströmquerschnitte der Auf heizeinheit, der Katalysatoren und der Kühleinheiten gleich groß bemessen. Auf diese Weise ergibt sich ein einfacher Aufbau für die Katalysatoren und die Kühlein heiten mit dem Ergebnis einer für die katalytische Teil reaktion, insbesondere Teiloxidation, wünschenswerten gleichmäßigen Gasgeschwindigkeit in allen Bereichen des Reaktorgehäuses.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung beschreiben die Merkmale des Anspruchs 8. Danach sind die Aufheizeinheit, die Katalysatoren und die Kühleinheiten modulartig gestaltet und auswechselbar in das Reaktorge häuse integriert. Diese modulartige Gestaltung erlaubt es, die Katalysatoren und Kühleinheiten in auf den Quer schnitt des Reaktorgehäuses abgestellte Rahmen einzubet ten und damit sowohl für die Katalysatoren als auch die Kühleinheiten identische Anströmquerschnitte zu erzielen, was bei einem einfachen Aufbau mit einer gleichmäßigen Gasgeschwindigkeit verbunden ist.

Die modulartige Gestaltung erlaubt es, die Katalysatoren, die Kühleinheiten und die Aufheizeinheit über die Rahmen einzeln in das Reaktorgehäuse einzugliedern, so dass auch die einzelnen Rahmen für sich aus dem Reaktorgehäuse ent fernt und wieder eingesetzt werden können. Auf diese Art und Weise kann die Wartung, die Reinigung und auch der Wechsel einer Katalysatormasse sehr schnell durchgeführt werden. Ferner erlaubt es die modulartige Gestaltung, falls es z. B. die technische Entwicklung sinnvoll er scheinen lässt, zu einem späteren Zeitpunkt Kühleinheiten umfassende Module gegen Module mit Katalysatoren oder um gekehrt auszutauschen. Außerdem können in wirtschaftli cher Weise Freifelder für eine spätere Erweiterung oder Nachrüstung vorgesehen werden. Auch ist es im Rahmen der Erfindung möglich, einzelne Module mit Katalysatoren und/oder Kühleinheiten wirtschaftlich vorzuhalten, um dann im Bedarfsfall in kurzer Zeit einen Austausch vor nehmen zu können.

Die Erfindung lässt es zu, jeden Katalysator und jede Kühleinheit in einen Rahmen einzugliedern und für sich als Modul zu handhaben. Nach Anspruch 9 ist es aber auch denkbar, einen Katalysator und eine Kühleinheit gemeinsam in einem Rahmen anzuordnen und dadurch als auswechselba res Modul zusammenzufassen. Hierdurch wird Platz und Raum gespart, was mit einer Verkürzung des Reaktorgehäuses und damit Einsparung von Material verbunden ist.

Obwohl es nach der Erfindung im Prinzip nebensächlich ist, wie die Aufheizeinheit oder die Kühleinheit ausge bildet sind, das heißt, es können Wärmeaustauscher mit Glattrohren oder mit anderen geeigneten Wärmeübertra gungsflächen verwendet werden, sieht gemäß einer bevor zugten Ausführungsform Anspruch 10 vor, dass die Auf heizeinheit und die Kühleinheiten durch Rippenrohr-Wärme austauscher gebildet sind.

Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 11 können als Katalysatoren aufgeschüttete, mit einer Katalysatormasse versehene Ringe, Kugeln oder ähnliche Trägerkörper zum Einsatz gelangen.

Denkbar sind nach Anspruch 12 aber auch Waben, die den zusätzlichen Vorteil haben, dass sie als Module sehr schnell ein- und ausgebaut werden können.

Die zum weiteren Vorwärmen des Gas/Einsatzstoff-Gemischs in der Aufheizeinheit erforderliche Wärme kann nach An spruch 13 bevorzugt mindestens einer der in den nachfol genden Reaktionsstufen, insbesondere Oxidationsstufen, angeordneten Kühleinheiten mit Wärmeabgabe entnommen wer den. Hierbei handelt es sich dann um eine interne Wärmeverschiebung. Zum Beispiel kann dazu ein geeignetes Wärmeträgeröl verwendet werden, das den Vorteil einer einfachen Temperaturregelung hat. Außerdem kann dieses heiße Wärmeträgeröl zur Beheizung in der Destillation verwendet werden. Dazu ist dann lediglich ein gemeinsamer Ölkreislauf mit einem gemeinsamen Anfahrbrenner erforder lich.

Damit im Falle einer Explosion oder Verpuffung keine zu hohen Drücke im Reaktorgehäuse entstehen, sind nach An spruch 14 an mehreren dazu geeigneten Stellen des Reak torgehäuses Berstöffnungen vorgesehen. Deren Größe hängt von der jeweiligen Gemischzusammensetzung, den Tem peraturen und dem zu entlastenden Volumen ab. Die Berst öffnungen können durch Entfernen der eigentlichen Berst sicherungen gleichzeitig als Mannlöcher zur Inspektion, Wartung und Reinigung des Reaktorgehäuses genutzt werden.

Um das Reaktorgehäuse durch die Berstöffnungen nicht un nötig groß werden zu lassen und um das zu entlastende Vo lumen möglichst klein zu halten, kann es gemäß Anspruch 15 von Vorteil sein, die Berstöffnungen direkt den Kata lysatoren zuzuordnen. Die Berstöffnungen mit den Berstsi cherungen bilden dann zweckmäßig Bestandteil eines für sich in das Reaktorgehäuse integrierbaren Rahmens mit einem Katalysator.

Nach Anspruch 16 ist das Reaktorgehäuse beheizbar. Insbe sondere zur Verkürzung der Aufheizzeit beim Anfahren ist dies von Vorteil, aber auch um Ablagerungen von Einsatz stoff oder Produkt an kalten Gehäuseteilen zu verhindern. Hierzu kann Dampf, Thermoöl oder elektrischer Strom ver wendet werden. Beispielsweise können außenseitig des Re aktorgehäuses Heizrohre angebracht sein, die mit einem entsprechenden Wärmeträger beaufschlagbar sind.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnun gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im schematischen vertikalen Längsschnitt einen Reaktor zur Oxidation von PSA aus einem Luft/Einsatzstoff-Gemisch;

Fig. 2 einen auf den Reaktor der Fig. 1 bezogenen Verlauf der Temperatur des den Reaktor durch strömenden Gemisches/Reaktionsgases;

Fig. 3 und 4 in vergrößerter schematischer Darstellung eine Oxidationsstufe des Reaktors der Fig. 1 mit einem Katalysator und einer Kühleinheit und

Fig. 5 ebenfalls in vergrößerter schematischer Dar stellung eine weitere Ausführungsform einer Oxidationsstufe des Reaktors der Fig. 1.

Mit 1 ist in der Fig. 1 ein Reaktor bezeichnet, der Be standteil einer ansonsten nicht näher veranschaulichten Anlage zur Gewinnung von Phthalsäureanhydrid (PSA) bil det. Der Reaktor 1 besitzt ein langgestrecktes, im Quer schnitt quaderförmiges Reaktorgehäuse 2 mit einem bis auf eine Eintrittshaube 3 und eine Austrittshaube 4 über den restlichen Längenabschnitt 5 gleichbleibendem Quer schnitt. Die äußeren Oberflächen der Eintrittshaube 3, der Austrittshaube 4 und des dazwischen liegenden Längen abschnitts 5 sind mit Rohren 6 bestückt, welche mit einem geeigneten Wärmeträger, wie z. B. Thermoöl beaufschlagbar sind.

Ferner ist der Fig. 1 zu entnehmen, dass an der Ein trittshaube 3, an der Austrittshaube 4 sowie in dem da zwischen liegenden Längenabschnitt 5 in der Wandung des Reaktorgehäuses 2 Berstöffnungen 7 mit Berstsicherungen 8 eingegliedert sind.

Das Reaktorgehäuse 2 weist in Strömungsrichtung des über die Eintrittshaube 3 eintretenden Gemischs 9 aus Luft und Einsatzstoff, wie beispielsweise o-Xylol, bzw. des über die Austrittshaube 4 das Reaktorgehäuse verlassenden, mit PSA beladenen Reaktionsgases 10 zunächst in der Nähe der Eintrittshaube 3 in einer Heizstufe HST eine Aufheizein heit 11 zur Erhitzung des Gemischs 9 auf. Die Aufheizein heit 11 ist modulartig gestaltet und als in einen nicht näher dargestellten Rahmen eingliederbarer Rippenrohr- Wärmeaustauscher ausgebildet. Der Rahmen ist mittels einer Rahmenplatte 12 umfangsseitig einer Öffnung 12a des Reaktorgehäuses 2 lösbar festgelegt. Die Anschlüsse zur Zu- und Abführung des Heizmediums zur Aufheizeinheit 11 sind mit 13 und 14 bezeichnet.

In Strömungsrichtung des Gemischs 9 ist der Aufheizein heit 11 in einer ersten Oxidationsstufe I im Abstand ein Katalysator 15 nachgeschaltet. Der Katalysator 15 umfasst eine Katalysatormasse, die auf Ringen, Kugeln, Waben oder ähnlichen Trägerkörpern aufgebracht ist. Die Katalysator masse ist in dem in einen Rahmen 16 eingebetteten Kataly sator 15 aufgeschüttet (siehe auch Fig. 3). Dieser Kata lysator 15 ist somit ebenfalls modulartig gestaltet und über eine Rahmenplatte 17 umfangsseitig einer Öffnung 18 in der Wandung 19 des Reaktorgehäuses 2 festgelegt.

Zwischen der Aufheizeinheit 11 und dem Katalysator 15 be findet sich ein Temperaturmesspunkt 20.

Im Abstand zu dem Katalysator 15 ist in der ersten Oxida tionsstufe I eine Kühleinheit 21 in das Reaktorgehäuse 2 lösbar integriert (siehe auch Fig. 4). Die Kühleinheit 21 besteht aus einem Rippenrohr-Wärmeaustauscher. Sie ist modulartig mittels einer Rahmenplatte 22 umfangsseitig einer in der Wandung 19 des Reaktorgehäuses 2 vorgese henen Öffnung 23 fixiert. Die Anschlüsse zur Zu- und Ab führung des Kühlmediums sind mit 24 und 25 bezeichnet.

Zwischen dem Katalysator 15 und der Kühleinheit 21 ist ein weiterer Temperaturmesspunkt 26 vorgesehen.

Wie die Fig. 1 dann weiter erkennen lässt, sind in stu fenweiser Hintereinanderschaltung auf die erste Oxida tionsstufe I mit dem Katalysator 15 und der Kühleinheit 21 in einer zweiten Oxidationsstufe II ein Katalysator 27 und eine Kühleinheit 28, in einer dritten Oxidationsstufe III ein Katalysator 29 und eine Kühleinheit 30, in einer vierten Oxidationsstufe IV ein Katalysator 31 und eine Kühleinheit 32 und in einer fünften Oxidationsstufe V ein Katalysator 33 sowie ein Freifeld 34 vorgesehen. Auch die modulartig gestalteten Katalysatoren 27, 29, 31 und 33 sowie die Kühleinheiten 28, 30 und 32 sind über Rahmen platten 17, 22 gemäß Fig. 3 umfangsseitig von Öffnungen 18, 23 in der Wandung 19 des Reaktorgehäuses 2 lösbar festgelegt. Allerdings sind die in Strömungsrichtung lie genden Bettlängen der Katalysatoren 15, 27, 29, 31 und 33 unterschiedlich gestaltet. Die Katalysatormassen der Ka talysatoren 15, 27, 29, 31 und 33 sind beim Ausführungsbeispiel identisch gestaltet. Die Kühleinhei ten 28, 30 und 32 sind wie die Kühleinheit 21 als Rippen rohr-Wärmeaustauscher ausgebildet und mit Anschlüssen 24, 25 für ein Heizmedium versehen.

Die Fig. 3 lässt ferner noch erkennen, dass statt der zwischen den Katalysatoren 15, 27 und 31 einerseits sowie den diesen nachgeschalteten Kühleinheiten 21, 28 und 32 andererseits in der Wandung 19 des Reaktorgehäuses 2 be findlichen Berstöffnungen 7 eine solche Berstöffnung 7 gemäß der strichpunktierten Linienführung auch unmittel bar einem Katalysator 15, 27, 29, 31 und 33 zugeordnet sein kann. Die Berstöffnung 7 befindet sich dann in der Rahmenplatte 17.

Während bei der Darstellung der Fig. 1, 3 und 4 die Katalysatoren 15, 27, 29, 31 und 33 sowie die Kühleinhei ten 21, 28, 30 und 32 in einem bestimmten Abstand hintereinander angeordnet und jeweils für sich lösbar in das Reaktorgehäuse 2 integriert sind, geht aus der Fig. 5 eine Ausführungsform hervor, bei welcher ein Katalysa tor 35 und eine Kühleinheit 36 als Oxidationsstufe VI mo dulartig in nur einem Rahmen 37 gelagert und über eine Rahmenplatte 38 umfangsseitig einer in der Wandung 19 des Reaktorgehäuses 2 vorgesehene Öffnung 39 festgelegt sind. Folglich sind dieser Katalysator 35 und die Kühleinheit 36 auch gemeinsam aus dem Reaktorgehäuse 2 ziehbar und wieder integrierbar.

Bei gemeinsamer Betrachtung der Fig. 1 und 2 ist der Verlauf der Gastemperatur vom Eintritt des Gemischs 9 in die Eintrittshaube 3 bis zum Verlassen des Reaktionsgases 10 über die Austrittshaube 4 erkennbar.

Es ist zu sehen, dass das Gemisch 9 mit einer Temperatur von etwa 180°C in das Reaktorgehäuse 2 eintritt. Beim Durchströmen der Aufheizeinheit 11 wird das Gemisch 9 dann auf eine Temperatur von etwa 270°C gebracht. Diese Temperatur reicht als Anspringtemperatur aus, damit in dem nachfolgenden Katalysator 15 der ersten Oxidations stufe I eine optimale Teiloxidation mit etwa 380°C stattfinden kann.

Das jetzt teilweise mit PSA beladene Reaktionsgas durch strömt dann die Kühleinheit 21 der ersten Oxidationsstufe I und wird hier auf etwa 300°C rückgekühlt. Dadurch wird eine Temperatur erzeugt, welche auch für den nachfolgen den Katalysator 27 der zweiten Oxidationsstufe II wieder eine optimale Teiloxidation gewährleistet.

Der Temperaturverlauf gemäß Fig. 2 zeigt dann weiterhin mit der notwendigen Klarheit, dass jede einem Katalysator 27, 29 und 31 nachgeschaltete Kühleinheit 28, 30 und 32 dafür Sorge trägt, dass der jeweils folgende Katalysator 29, 31 und 32 wieder eine optimale Teiloxidation gewähr leistet, so dass dann letztlich aus der Austrittshaube 4 ein mit PSA beladenes Reaktionsgas 10 mit einer Tempera tur von ca. 380°C austritt.

Die Temperaturmesspunkte zwischen der ersten Oxidations stufe I und der zweiten Oxidationsstufe II, in der zwei ten Oxidationsstufe II, zwischen der zweiten Oxidations stufe II und der dritten Oxidationsstufe III, in der dritten Oxidationsstufe III, zwischen der dritten Oxida tionsstufe III und der vierten Oxidationsstufe IV, in der vierten Oxidationsstufe IV, zwischen der vierten Oxida tionsstufe IV und der fünften Oxidationsstufe V und hin ter der fünften Oxidationsstufe V sind mit 40-47 bezeich net.

Die Fig. 1 lässt ferner noch erkennen, dass die Anström querschnitte für die Katalysatoren 15, 27, 29, 31 und 33 sowie für die Kühleinheiten 21, 28, 30 und 32 identisch sind. Dadurch ergeben sich auch für die Rahmen 16 gleiche Ausbildungen und ein sehr einfacher Modulaufbau, so dass sich letztlich für die katalytische Teiloxidation an den Katalysatormassen in den Katalysatoren 15, 27, 29, 31 und 33 eine wünschenswerte gleichmäßige Geschwindigkeit er gibt.

Derselbe Sachverhalt gilt, wenn die Oxidationsstufe VI gemäß Fig. 5 zur Anwendung gelangt.

Bezugszeichenaufstellung

1

Reaktor

2

Reaktorgehäuse

3

Eintrittshaube v.

2

4

Austrittshaube v.

2

5

Längenabschnitt zw.

3

u.

4

6

Rohre auf

3-5

7

Berstöffnungen

8

Berstsicherungen v.

7

9

Gemisch

10

Reaktionsgas

11

Aufheizeinheit

12

Rahmenplatte f.

11

12

a Öffnung in

19

13

Anschluss v.

11

14

Anschluss v.

11

15

Katalysator

16

Rahmen f.

15

17

Rahmenplatte v.

16

18

Öffnung in

19

Wandung v.

2

20

Temperaturmesspunkt

21

Kühleinheit

22

Rahmenplatte v.

21

23

Öffnung in

19

24

Anschluss v.

21

25

Anschluss v.

21

26

Temperaturmesspunkt

27

Katalysator v. II

28

Kühleinheit v. II

29

Katalysator v. III

30

Kühleinheit v. III

31

Katalysator v. IV

32

Kühleinheit v. IV

33

Katalysator v. V

34

Freifeld v. V

35

Katalysator v. VI

36

Kühleinheit v. VI

37

Rahmen f.

35

u.

36

38

Rahmenplatte v.

37

39

Öffnung in

19

40

Temperaturmesspunkt

41

Temperaturmesspunkt

42

Temperaturmesspunkt

43

Temperaturmesspunkt

44

Temperaturmesspunkt

45

Temperaturmesspunkt

46

Temperaturmesspunkt

47

Temperaturmesspunkt
I 1. Oxidationsstufe
II 2. Oxidationsstufe
III 3. Oxidationsstufe
IV 4. Oxidationsstufe
V 5. Oxidationsstufe
VI 6. Oxidationsstufe
HST Heizstufe

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von gasförmigen Produkten durch katalytische Gasphasenreaktion eines Einsatz stoffes, bei welchem vorgewärmtes und mit dem Ein satzstoff beladenes Gas in einem Reaktorgehäuse in einer Heizstufe auf die Anspringtemperatur erwärmt und anschließend in mehreren aufeinander folgenden Reaktionsstufen unter Anreicherung mit dem Produkt jeweils zunächst über eine Katalysatormasse geführt und dann gekühlt wird, worauf das derart mit dem Pro dukt beladene Reaktionsgas aus dem Reaktorgehäuse der Desublimation oder der Kondensation zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem zur Gewinnung von Phthalsäureanhydrid (PSA) durch katalytische Gas phasenoxidation eines Einsatzstoffes, wie o-Xylol, Naphthalin oder eines Gemischs dieser Einsatzstoffe, vorgewärmte und mit dem Einsatzstoff beladene kompri mierte Luft (9) in einem Reaktorgehäuse (2) in einer Heizstufe (HST) auf die Anspringtemperatur erwärmt und anschließend in mehreren aufeinander folgenden Oxidationsstufen (I-VI) unter Anreicherung mit PSA jeweils zunächst über eine Katalysatormasse geführt und dann gekühlt wird, worauf das derart mit PSA be ladene Reaktionsgas (10) aus dem Reaktorgehäuse (2) der Desublimation zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem in das mit PSA beladene Reaktionsgas (10) auf seinem durch abwech selnde Teiloxidation an einer Katalysatormasse und nachfolgender Kühlung gekennzeichneten Weg im Reak torgehäuse (2) zusätzlich Einsatzstoff eingespeist wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem vor dem Anfahren des Reaktors (1) das Reaktorgehäuse (2) und die Katalysatormassen aufgeheizt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei wel chem die beim Kühlen anfallende Wärme zur Erwärmung der mit dem Einsatzstoff beladenen Luft (9) in der Heizstufe (HST) genutzt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher in einem Re aktorgehäuse (2) mit einem in Strömungsrichtung des vorgewärmten und mit dem Einsatzstoff beladenen Gases (9) gleichbleibenden Querschnitt in stufenweiser Hin tereinanderschaltung zunächst eine Aufheizeinheit (11) zur Erhitzung des Gases (9) auf die optimale An springtemperatur und dann abwechselnd mehrere Kataly satoren (15, 27, 29, 31, 33, 35) zur Teilreaktion von Produkt und Kühleinheiten (21, 28, 30, 32, 36) zur Kühlung des mit dem Produkt beladenen Reaktionsgases (10) auf die optimale Reaktionstemperatur des jeweils nachfolgenden Katalysators (27, 29, 31, 33, 35) vor gesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Anström querschnitte der Aufheizeinheit (11), der Katalysato ren (15, 27, 29, 31, 33, 35) und der Kühleinheiten (21, 28, 30, 32, 36) gleich groß bemessen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher die Aufheizeinheit (11), die Katalysatoren (15, 27, 29, 31, 33, 35) und die Kühleinheiten (21, 28, 30, 32, 36) modulartig gestaltet und auswechselbar in das Re aktorgehäuse (2) integriert sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welcher die Katalysatoren (35) und die diesen jeweils nachgeschalteten Kühleinheiten (36) zu gemeinsam aus wechselbaren Modulen zusammengefasst sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei welcher die Aufheizeinheit (11) und die Kühleinheiten (21, 28, 30, 32, 36) durch Rippenrohr-Wärmeaustau scher gebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei welcher für die Katalysatoren (15, 27, 29, 31, 33, 35) aufgeschüttete, mit der Katalysatormasse verse hene Ringe, Kugeln oder ähnliche Trägerkörper zum Einsatz gelangen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei welcher für die Katalysatoren (15, 27, 29, 31, 33, 35) mit der Katalysatormasse versehene Waben zum Ein satz gelangen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, bei welcher die Aufheizeinheit (11) mit wenigstens einer Kühleinheit (21, 28, 30, 32, 36) Wärme austauschend gekoppelt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, bei welcher das Reaktorgehäuse (2) Berstöffnungen (7) mit Berstsicherungen (8) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher die Berst öffnungen (7) den Katalysatoren (15, 27, 29, 31, 33) zugeordnet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, bei welcher das Reaktorgehäuse (2) beheizbar ist.