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DE2016614A1 - Exothermic oxidation in catalytic reactor - Google Patents

Exothermic oxidation in catalytic reactor

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DE2016614A1
DE2016614A1 DE19702016614 DE2016614A DE2016614A1 DE 2016614 A1 DE2016614 A1 DE 2016614A1 DE 19702016614 DE19702016614 DE 19702016614 DE 2016614 A DE2016614 A DE 2016614A DE 2016614 A1 DE2016614 A1 DE 2016614A1
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DE
Germany
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catalyst
reaction
gas
cylindrical reactor
sec
Prior art date
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Pending
Application number
DE19702016614
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German (de)
Inventor
Richard Dr 6719 Kirch heim Frey Walter Dipl Ing Dr 6700 Ludwigshafen Krabetz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
Badische Anilin and Sodafabrik AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

Cylindrical reactor for the partial vapour phase catalytic oxidation of organic cpds. has solid catalyst chips (2-4 mm) charged into radially segmented beds interspaced by plate heat exchange elements of similar form and a typical surface or 10-100 m2/m3 reactor bed volume. The process is applicable to reactions with oxygen, releasing over 40 Kcal/mole; typical residence times of 0.1-15 secs. and linear bed velocities of 2-200 cm/s. are used. It is used, e.g. for propylene oxidation. The distribution of gas over the catalyst is uniform, and poisoning of the catalyst through side reactions is avoided so that it has a long-life.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Durchfahrung exothermer katalytischer Oxydationsreaktionen Oxydationsreaktionen, die in der Gasphase an festen Katalysatoren unter starker Wärmeentwicklung verlaufen und bei denen die gewünschten Produkte partielle-Oxydationsprodukte darstellen, wie beispielsweise die Oxydation von Butenen und Butadien zu Essigsäure oder Måleinsäure, von Isobutylen zu Methacrolein, von Propylen zu Acrolein und Acrylsäure, von Methanol zu Formaldehyd, von o-Xylol zu Phthalsäureanhydrid sowie die Ammonoxydation von Propylen oder o-Xylol zu Acrylnitril bzw. Phthalodinitril, müssen möglichst unter isothermen Bedingungen durchgefahrt werden, um Nebenreaktionen oder Überoxydation als Folge einer zu starken Erhitzung des Katalysators zu vermeiden.Apparatus and method for passing through exothermic catalytic Oxidation reactions Oxidation reactions that take place in the gas phase on solid catalysts proceed with strong heat development and in which the desired products Represent partial oxidation products, such as the oxidation of butenes and butadiene to acetic acid or maleic acid, from isobutylene to methacrolein, from Propylene to acrolein and acrylic acid, from methanol to formaldehyde, from o-xylene to Phthalic anhydride and the ammoxidation of propylene or o-xylene to acrylonitrile or phthalonitrile, must be driven through under isothermal conditions if possible to avoid side reactions or over-oxidation as a result of excessive heating to avoid the catalyst.

Es sind drei Reaktor- bzw. Verfahrensprinzipien bekannt: Die isotherme Wirbelschicht, das quasiisotherme Reaktionsrohr und das Metallnetz. Die Vor- und Nachteile der genannten Verfahrensprinzipien sind verschiedentlich beschrieben worden. Bei dem Wirbelschichtreaktor wird zwar eine einheitliche Temperatur innerhalb der Katalysatorschicht weitgehend erreicht, wegen der starken Streuung der Verweilzeit ist jedoch häufig die Wirbelschicht weniger selektiv. Der Verwendbarkeit des axial durchströmten Strömungsrohressind ebenfalls Grenzen gesetzt. Die Reaktionsgeschwindigkeit und damit die pro Zeiteinheit entwickelte Wärmemenge ist am Eingang in die Katalysatorschicht am höchsten; sie sinkt mit der Katalysatorschicht entsprechend der abnehmenden Konzentration der Reaktionspartner mehr oder weniger ab. Um örtliche Überhitzung in den ersten Katalysatorzonen und damit Überoxydation zu vermeiden, muß der Wärmeübergang Katalysatorschüttung-Kühlmedium rasch genug erfolgen.There are three known reactor and process principles: The isothermal Fluidized bed, the quasi-isothermal reaction tube and the metal mesh. The before and Disadvantages of the process principles mentioned have been described variously. In the fluidized bed reactor, although a uniform temperature is within the Catalyst layer largely reached because of the large spread of the residence time however, the fluidized bed is often less selective. The usability of the axial flow tubes through which there are also limits. The speed of response and thus the amount of heat developed per unit of time is at the entrance to the catalyst layer the highest; it decreases with the catalyst layer in accordance with the decreasing concentration the reactant more or less from. To local overheating in the first To avoid catalyst zones and thus over-oxidation, the heat transfer between the catalyst bed and the cooling medium must be achieved be done quickly enough.

Maßnahmen zur Erhöhung der Geschwindigkeit dieses Wärmeüberganges bestehen darin, daß man die Kühlfläche je Volumeneinheit Katalysator beispielsweise durch die Wahl kleinerer Rohrdurchmesser bei Röhrenöfen bzw. kleinerer Plattdnabstände bei Plattenkontaktöfen und durch Profiländerung der Rohre vergrößert oder durch Siedekühlung der Rohre durch Verwendung von bewegten Wärmetibertragungsmedien mit hohen Wärmeleit- bzw. Wärmeübergangskoeffizienten den Wärmeübergangswiderstand oder durch Erhöhung der linearen Gasgeschwindigkeit der Reaktionsgase bei unveränderter Raumbelastung des Wärmeübergangswiderstandes auf der Rohrinnenseite zu verkleinern versucht (= Verlängerung der Rohre).Measures to increase the speed of this heat transfer consist in the fact that the cooling surface per unit volume of catalyst, for example by choosing smaller pipe diameters for tube furnaces or smaller ones Plate spacing in plate contact furnaces and increased by changing the profile of the pipes or by evaporative cooling of the tubes using moving heat transfer media with high thermal conductivity or heat transfer coefficients, the heat transfer resistance or by increasing the linear gas velocity of the reaction gases with unchanged To reduce the volume of the heat transfer resistance on the inside of the pipe tried (= extension of the pipes).

Der Verkleinerung des Rohrdurchmessers sind Grenzen dadurch gesetzt, daß das Verhältnis Korndurchmesser zu Rohrdurchmesser mindestens 1 : 5 bis 1 : 8 betragen muß, um eine relativ gleichmäßige Verweilzeit über den Rohrquerschnitt zu erreichen. Da eine Korngröße des Katalysators von unter 3 - 4 mm nur in Form von Splitt eingesetzt werden kann, der in technisch üblichen Schütthöhen von 200 bis 300 cm wegen geringerer Abriebfestigkeit und strömungstechnisch ungünstiger Abmessungen zu hohen Druckverlusten führt, stellen auch aus Kostengründen Rohrdurchmesser von 15 mm die unterste Grenze dar, die in der Praxis verwendet werden. Die Schütthöhe des Katalysators und damit bei gegebener Raumbelastung die Tiineargeschwindigkeit der Reaktionsgase wird nach oben begrenzt durch den Druckverlust. Schütthöhen von über 250 - 300 cm bzw. Lineargeschwindigkeiten von über 1,5 - 2 m/sec werden daher selten benutzt. Da mit einer Erhöhung der linearen Gasgeschwindigkeit der Druckverlust quadratisch ansteigt, wird entsprechend der Druckabhängigkeit der Reaktionsgeschwinäigkeit das Verhältnis Wärmeentwicklung am Schicht eingang und Ende mit steigender Lineargeschwindigkeit ungünstiger.The reduction of the pipe diameter is limited by that the ratio of grain diameter to pipe diameter is at least 1: 5 to 1: 8 must be to have a relatively uniform residence time over the pipe cross-section to reach. Since the catalyst has a grain size of less than 3 - 4 mm only in the form of grit can be used, which in the usual technical dump heights of 200 up to 300 cm due to lower abrasion resistance and less favorable aerodynamic properties Dimensions leads to high pressure losses, pipe diameters also represent cost reasons of 15 mm is the lowest limit used in practice. The dumping height of the catalyst and thus the linear velocity for a given volume loading the upper limit of the reaction gases is limited by the pressure loss. Dumping heights of over 250 - 300 cm or linear speeds of over 1.5 - 2 m / sec are therefore barely used. Since with an increase in the linear gas velocity, the pressure loss increases quadratically, is corresponding to the pressure dependence of the reaction rate the ratio of heat development at the beginning and end of the layer with increasing linear velocity less favorable.

Ein allgemeiner Nachteil von Röhrenöfen oder von Plattenöfen mit parallel angeordneten Platten ist, daß der Rohrdurchmesser bzw.A general disadvantage of tube ovens or plate ovens with parallel arranged plates is that the pipe diameter or

Plattenabstand der Wärmeentwicklung am Schichteingang angepaßt werden muß; der Rest der Katalysatorschicht ist hinsichtlich der Wärmeaustauschfläche überdimensioniert.The distance between the plates must be adjusted to the heat development at the entrance to the shift got to; the rest of the catalyst layer is oversized with regard to the heat exchange surface.

Ein weiterer Nachteil der erwähnten Ofentypen besteht darin, daß die Gaseintrittstemperatur fixiert ist, so daß Höhe und Lage der Temperaturspitze am Schichtbeginn und die optimale axiale Temperaturverteilung beim Nachlassen der Katalysatoraktivität im Laufe der Betriebszeit nur über die Temperatur des umgebenden Kühlmediums nachgestellt werden- kann. Da die Aktivität am Ort der Temperaturspitze stärker geschädigt wird, wandert im Laufe der 3etrietszeit die Temperaturspitze zum Schichtausgang und wird flacher; wird der Umsatzrückgäng durch eine Erhöhung der Badtemperatur zu kompensieren versucht, so werden auch die nicht geschädigten gatalysatorpartien auf ein für sie ungünstigeres Temperaturniveau gehoben und als Folge davon die Weiter- bzw. Totaloxydation der gewünschten Zwischenprodukte beschleunigt. Die Effekte zwingen häufig dazu, die Reaktion bei niedrigen, beispielsweise weit unterhalb der unteren Explosionsgrenze liegenden Substratkonzentrationen durchzuführen, wodurch die theoretisch erreichbaren Raumzeltausbeuten unterschritten werden und verschiedene Nachteile der hohen Luftverdünnung, wie hoher Druckverlust, Erschwerung der Abscheidung der kondensierbaren Anteile aus dem Abgas, in Kauf genommen werden müssen.Another disadvantage of the types of furnace mentioned is that the Gas inlet temperature is fixed, so that the height and position of the temperature peak at Beginning of the shift and the optimal axial temperature distribution when the catalyst activity decreases in the course of the operating time only about the temperature of the surrounding Cooling medium can be adjusted. Because the activity at the location of the temperature peak is stronger is damaged, the temperature peak migrates to the exit of the shift in the course of the exposure time and becomes flatter; the decline in sales is caused by an increase in the bath temperature If an attempt is made to compensate, the undamaged catalyst sections are also used raised to a temperature level that is less favorable for them and, as a result, the continued or accelerated total oxidation of the desired intermediate products. The effects force often to the reaction at low, for example well below the lower Carry out explosive limits lying substrate concentrations, whereby the theoretically achievable tent yields are undercut and various disadvantages the high air dilution, such as high pressure loss, making it difficult to separate the condensable fractions from the exhaust gas must be accepted.

Es galt daher, eine die aufgezeigten Nachteile vermeidende Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytischer Reaktionen zu finden.It was therefore necessary to have a device that avoids the disadvantages indicated for carrying out exothermic catalytic reactions.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem zylindrischen Reaktor zur Durchführung partieller katalytischer Oxydationsreaktionen von gasförmigen organischen Verbindungen an festen Katalysatoren, der mit je einem Stutzen für den Eintritt des Reaktionsgasgemisches und den Austritt der Reaktionsprodukte sowie mit einer Vorrichtung zum Heizen und Kühlen des mit Katalysator gefüllten Reaktionsraumes versehen ist, der so ausgebildet ist, daß miteinander reagierende gasförmige Stoffe die Eatalysatorschicht radial durchströmen, wobei der zylindrische Reaktor einen Querschnitt 'aufweist, in dessen Zentrum sich eine kreisförmige Gaszuführung (1) befindet, um die herum ein in-Kreisringsektoren (2 und 3) aufgeteilter innerer Ringraum angeordnet ist, der seinerseits von einem weiteren äußeren Ringraum (4) umgeben -ist, wobei die Kreisringsektoren des inneren Ringraumes alternierend als mit Katalysator zu füllende Reaktionsräume (2) mit radialer Gaszuführung '(1) von der Mitte zum äußeren als Sammler für die': entstehenden Reaktionsprodukte ausgebildeten Ringraum-(4)--und als mit der Heiz- und Kühlvorrichtung in Verbindung stehende Wärmeaustauscher (3), in denen das Kühlmedium den Reaktor senkrecht zur radialen Strömungsrichtung der Reaktionsgase geführt wird, ausgebildet sind.The solution to the problem consists in a cylindrical reactor for Carrying out partial catalytic oxidation reactions of gaseous organic Connections to solid catalysts, each with a nozzle for the inlet of the reaction gas mixture and the exit of the reaction products and with a Device for heating and cooling the reaction space filled with catalyst is provided, which is designed so that mutually reactive gaseous substances flow through the catalyst layer radially, the cylindrical reactor having a Cross-section ', in the center of which there is a circular gas supply (1) is located around which an in-circular ring sectors (2 and 3) divided inner annulus is arranged, which in turn is surrounded by a further outer annular space (4) -is, the circular ring sectors of the inner annular space alternating as with catalyst to be filled reaction chambers (2) with radial gas supply '(1) from the center to outer as a collector for the ': resulting reaction products formed annulus- (4) - and than with the heating and Cooler related heat exchangers (3), in which the cooling medium passes the reactor perpendicular to the radial direction of flow the reaction gases is guided, are formed.

In der Figur 1 ist schematisch im Querschnitt eine beispielsweise Ausführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt und ist die radiale Führung der Gase durch die Katalysatorsektoren schematisch eingezeichnet.In the figure 1 is a schematic example in cross section Embodiment of the device according to the invention shown and is the radial guide of the gases drawn schematically through the catalyst sectors.

Das umzusetzende Gasgemisch tritt aiial in die zentrale Gaszuführung (1) ein und strömt radial durch eine Lochplatte oder Drahtnetz in die mit Katalysator gefüllten greisringsektoren (2). Das umgesetzte Gasgemisch wird im Ringraum (4) gesammelt und bei (5) abgeführt. Die Sektoren (3) sind Plattenwärmetauscher, durch die in axialer Richtung Eühlflüssigkeit gepumpt wird. Gegebenenfalls können Plattenwärmetauscher mit planparallelen Wänden eingebaut werden.The gas mixture to be converted generally enters the central gas supply (1) and flows radially through a perforated plate or wire mesh into the catalytic converter filled ancient ring sectors (2). The converted gas mixture is in the annulus (4) collected and discharged at (5). The sectors (3) are plate heat exchangers, through which is pumped in the axial direction of the cooling liquid. If necessary, plate heat exchangers can be used be installed with plane-parallel walls.

Die von dem Kühlmedium aufgenommene Reaktionswärme wird über Wärmeaustauscher, die sich im zentralen Ringraum (1) oder außerhalb des Reaktors befinden können, wieder abgegeben.The heat of reaction absorbed by the cooling medium is transferred via heat exchangers, which can be located in the central annulus (1) or outside the reactor, released again.

Das Verhältnis der durch die Zwischenwände zwischen den Kreisringsektoren gebildeten gühlflächen (6) zu dem Volumen der mit Katalysator zu füllenden Reaktionsräume (2) verhält sich wie 10 m2/m3 bis 200 m22/m3, vorzugsweise ist das Verhältnis 30 m2/m3 bis 100 m /m3. Dabei beträgt der Kühlplattenabstand am Gaseingang zwischen 7 mm und 40 mm, vorzugsweise 10 mm bis 25 mm.The ratio of the through the partition walls between the annulus sectors formed cooling surfaces (6) to the volume of the reaction spaces to be filled with catalyst (2) behaves like 10 m2 / m3 to 200 m22 / m3, preferably the ratio is 30 m2 / m3 to 100 m / m3. The distance between the cooling plates at the gas inlet is between 7 mm and 40 mm, preferably 10 mm to 25 mm.

Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, daß der Hauptströmungswiderstand am Eingang in die Katalysatorsektoren (2) liegt, sodaß in allen gatalysatorsektoren gleichmäßige Gaszuführung gewährleistet ist.This arrangement has the particular advantage that the main flow resistance at the entrance to the catalyst sectors (2), so that in all catalyst sectors uniform gas supply is guaranteed.

Außerdem sind durch die besondere räumliche Anordnung des Katalysators in Form von Kreisringsektoren die Wärmeaustauschnächen dem Reaktionsverlauf angepaßt. Der Umsatz und damit die Reaktionswärme ist am Eingang in die gatalysatorsektoren am größten, nämlich dort, wo der Abstand der Kühlflächen am geringsten und damit die Kühlwirkung am größten ist.In addition, the special spatial arrangement of the catalytic converter the heat exchange surfaces are adapted to the course of the reaction in the form of circular ring sectors. Sales and thus the heat of reaction is at the entrance to the catalyst sectors largest, namely where the distance between the cooling surfaces is smallest and thus the cooling effect is greatest.

Dadurch werden eine Schädigung des Katalysators durch Überhitzung und Nebenreaktionen sowie Überoxydationen verhindert und gleichzeitig die Lebensdauer des Katalysators erheblich verlängert.This will damage the catalytic converter from overheating and side reactions as well as over-oxidation are prevented and at the same time the service life is prevented of the catalytic converter is extended considerably.

Für die Konstruktion des Radialströmungsofensn ist ein Verhältnis äußerer Durchmesser zu Höhe von 1 : 1 bis 1 : 3 vorteilhaft.For the design of the radial flow furnace there is a ratio outer diameter to height of 1: 1 to 1: 3 advantageous.

Zweckmäßig verhält sich der Durchmesser der zentralen Gaszuführung (1) zur radialen Bemessung des Ringraums aus Eühl-und Katalysatorsektoren wie 1 : 1 bis 1 : 4 und zur radialen Bemessung des äußeren Ringraumes (4) wie- 1 : 0,01 bis 1 : 0,5.The diameter of the central gas supply is expedient (1) for the radial dimensioning of the annular space from Eühl and catalyst sectors like 1 : 1 to 1: 4 and for the radial dimensioning of the outer annular space (4) as 1: 0.01 up to 1: 0.5.

Zur Füllung der Katalysatorräume sind Einfüllstutzen vorgesehen. Es kann von Vorteil sein, daß die von oben nach unten durchgehenden Katalysatorsektoren in Etagen abgeteilt sind, wobei vorteilhaft Lochböden verwendet werden, die, einegleichmäßige Wellung der Sektoren mit Katalysator erlauben.Filler nozzles are provided to fill the catalyst chambers. It It can be advantageous that the catalyst sectors which are continuous from top to bottom are divided into floors, perforated floors are advantageously used, a uniform Allow corrugation of sectors with catalyst.

Als Kühlmittel dient beispielsweise eine Salzschmelze aus KN03, NaNO3, NaNO2; Wasser; Diphenyl oder andere für eine Siedekühlung oder Wärmeabführung geeignete Flüssigkeiten.A molten salt made of KN03, NaNO3, NaNO2; Water; Diphenyl or others suitable for evaporative cooling or heat dissipation Liquids.

Als Baumaterial werden die üblichen Materialien verwendet.The usual materials are used as building material.

Der beschriebene Reaktor eignet sich insbesondere sur Durchführung von partiellen katalytischen Oxydationen von gasförmigen organischen Verbindungen an festen Ka'talysatoren in molelularen Sauerstoff enthaltenden Gasgemischen, bei der die freiwerdende Reaktionswärme mehr als 40 toal/Mol beträgt, unter Anwendung von Konzentrationen der gasförmigen organischen Verbindungen an oder oberhalb der unteren Explosisonsgren-ze, wobei die mittleren Verwailzeiten des Reaktionsgasgemisches zwischen 0,1 und 15 Sekunden betragen und beim Passieren der Katalysatorschicht eine lineare Gasgeschwindigkeit des Reaktionsgasgemisches zwischen 200 cm/sec und 2 cm/sec eingehalten wird.The reactor described is particularly suitable for implementation of partial catalytic oxidations of gaseous organic compounds on solid catalyst in gas mixtures containing molar oxygen which the released heat of reaction is more than 40 toal / mol, using of concentrations of the gaseous organic compounds at or above the lower explosion limit, with the mean Verwailzeiten of the reaction gas mixture be between 0.1 and 15 seconds and at Passing the catalyst layer a linear gas velocity of the reaction gas mixture between 200 cm / sec and 2 cm / sec is observed.

In der Gasphase exotherm verlaufende, partielle katalytische Oxydationen organischer Verbindungen mit molekularem Sauerstoff, gegebenenfalls Wasserdampf und gegebenenfalls Ammoniak sowie Inertgase enthaltenden Gasgemischen, wie Oxydationen von gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffen und Aromaten, aliphatischen und aromatischen Alkoholen oder Aldehyden, lassen sich vorteilhaft in dem beschriebenen Radialströmungsofen in hohen Raum-Zeit-Ausbeuten pro Volumeneinheit Katalysator, unter Vermeidung von Nebenreaktionen bei gleichzeitig langer Lebensdauer des Katalysators durchführen.Partial catalytic oxidations which run exothermically in the gas phase organic compounds with molecular oxygen, possibly water vapor and optionally gas mixtures containing ammonia and inert gases, such as oxidations of saturated or unsaturated hydrocarbons and aromatics, aliphatic and aromatic alcohols or aldehydes, can advantageously be used in the described Radial flow furnace with high space-time yields per unit volume of catalyst, while avoiding side reactions and at the same time having a long service life of the catalyst carry out.

Die Gaszufuhr erfolgt durch das zentrale Rohr (1). Gegebenenfalls wird das einströmende Reaktionsgasgemisch auf die erforderliche Temperatur erhitzt, indem es huber Wärmeaustauscher, die in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mit dem Kühlmittelumlauf in Verbindung stehen, geleitet wird. Der Wärr meaustausch bzw. die Erwärmung der Reaktionsgase auf die erforderliche Reaktionstemperatur kann in dem zentralen Gaszufuhrraum oder außerhalb des Reaktions erfolgen. Je kleiner die Lineargeschwindigkeit umso höber muß im allgemeinen das Gas vorgewärmt werde, um unter sonst gleichen Betriebsbedingungen den gleichen Umsatz zu erhalten.The gas is supplied through the central pipe (1). Possibly the incoming reaction gas mixture is heated to the required temperature, by having huber heat exchangers, which in a particularly advantageous embodiment are in connection with the coolant circulation, is conducted. The heat exchange or the heating of the reaction gases to the required reaction temperature can take place in the central gas supply space or outside the reaction. The smaller In general, the higher the linear velocity, the higher the gas must be preheated, in order to obtain the same conversion under otherwise identical operating conditions.

Das Verfahren ist sowohl bei niedriger Substr&tkonzentrationen als auch be ver ältnismäßig hohen Konzentrationen Jber er der unteren Expiosionsgrenze durchführbr und für Oxydationsreaktionen, bei denen eins Reaktionswarae von mehr als 40 Kcal/ Mol freigesetzt wird, geeignet.The procedure is effective both at lower substrate concentrations as well as relatively high concentrations above the lower explosion limit carried out and for oxidation reactions, in which one reaction product of more than 40 Kcal / mol is released, is suitable.

Die für eine gewünschte katalytische Oxydationsreaktion optimalen Verweilzeiten, die gewöhnlich zwischen 0,1 und 15 Sekunden liegen, werden dadurch eingehalten, daß in Ab?"iängigkeit von der radial durchströmten Schichtdicke des Katalysators eine bestimmte lineare Gasgeswindigkeit des Reaktionsgases eingehalten wird Unter der linearen Gasgeschwindigkeit wird die Volumenströmung des Reaktionsgases, berechnet auf Normalbedingungen, bezogen auf die angeströmte Querschnittsfläche des Reaktionsraumes, verstanden. Die lineare Gasgeschwindigkeit beeinflußt den Reaktionsverlauf im Reaktor insbeso-ndere im Gebiet hoher Reaktionsgeschwindigkeiten, also bei hohen Substratkonzentrationen oberhalb der unteren Explosionsgrenze. Mit steigender Lineargeschwindigkeit nimmt der Druckverlust quadratisch zu und damit entsprechend der Druckabhängigkeit der Oxydatlonsgeschwindigkeit die Wärmeentwicklung in der Eingangsschicht. Außerdem kann bei zu hohen Lineargeschwindigkeiten die Wärmeentwicklung im hot spot zu groß werden und der Reaktor neigt stärker zum "Durchgehen" als bei niedrigen Lineargeschwindigkeiten. Deshalb soll eine bestimmte Lineargeschwindigkeit im Katalysator nicht überschritten werden0 Die Konzeption nicht zu hoher Lineargeschwindigkeiten in ver,-hältnismäßig kurzen Katalysatorschichten bei gegebenen Verweilzeiten läßt sich vorteilhaft in den Radialströmungsöfen realisieren. Bei zu niedriger Lineargeschwindigkeit im laminaren Strömungsgebiet ist ein gleichmäßiges Durchströmen der Katalysatorschicht wegen verstärkter Kanalbildung nicht gewährleistet. Zusätzlich ist ein bedeutender Vorteil, daß bei kurzer radial durchstömter Katalysatorschicht der Drucker lust herabgesetzt wird. Dadurch wird der Einsatz kleinerer Katalysatorkdrnungen von 1 bis 6 nun Durchmesser, die höhere Leistungen geben, möglich.The optimum for a desired catalytic oxidation reaction Residence times, which are usually between 0.1 and 15 seconds, are thereby adhered to that depending on the radially flowed through layer thickness of the Catalyst maintained a certain linear gas velocity of the reaction gas will The volume flow is below the linear gas velocity of the reaction gas, calculated under normal conditions, based on the flow Cross-sectional area of the reaction space, understood. The linear gas velocity influences the course of the reaction in the reactor, especially in the area of high reaction rates, i.e. at high substrate concentrations above the lower explosion limit. With with increasing linear speed, the pressure loss increases quadratically and thus the heat development corresponding to the pressure dependence of the rate of oxidation in the entry layer. In addition, if the linear speeds are too high, the development of heat become too big in the hot spot and the reactor tends to "run away" more than at low linear speeds. Therefore, a certain linear velocity should are not exceeded in the catalytic converter 0 The concept of linear velocities not too high in ver, -relatively short catalyst layers with given residence times can be realized advantageously in radial flow furnaces. If the linear speed is too low in the laminar flow area there is a uniform flow through the catalyst layer not guaranteed due to increased channel formation. In addition, is a significant one The advantage is that if there is a short, radial flow through the catalyst layer, the printer is lustful is reduced. This makes the use of smaller catalyst holes of 1 up to 6 diameters that give higher performance are now possible.

Bevorzugt ist der Radialströmungsofen geeignet für Ozydationsreaktionen mit hohen Umsätzen bei einfachem Durchgang und mit Wärmetönungen von größer als 60 tcal/Mol und mit einer radial.The radial flow furnace is preferably suitable for oxidation reactions with high sales with a single pass and with heat tones greater than 60 tcal / mole and with one radial.

durchströmten Katalysatorschicht von 100 cm bis 200 cm bei mittleren Verweilzeiten von vorzugsweise 1 bis 10 Sekunden, bei der eine Lineargeschwindigkeit zwischen 150 sec und 3 cm/sec eingehalten wird. Dabei werden Katalysatorkörnungen von einem mittleren Durchmesser von 2 bis 4 mm bevorzugt verwendet.flow through catalyst layer from 100 cm to 200 cm at middle Residence times of preferably 1 to 10 seconds at a linear speed between 150 sec and 3 cm / sec is maintained. In doing so, catalyst granules are used with an average diameter of 2 to 4 mm are preferably used.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich beispielswsise auf die katalytische Oxydation von ungesättigten C3 - und C4-Kohlenwasserstoffen, wie Propylen, n- und Isobutenen, Butadien oder Gemische dieser Verbindungen sowie alkylsubstituierte aromatische. Kohlenwasserstoffe, wie Toluol, o- oder p-Xylol, oder sauerstoffhaltige Verbindungen, wie Alkohole, z. B. Methanol, oder Aldehyde, z. B. Acrolein, anwenden.The method according to the invention can be based on, for example the catalytic oxidation of unsaturated C3 and C4 hydrocarbons such as propylene, n- and isobutenes, butadiene or mixtures of these compounds and also alkyl-substituted ones aromatic. Hydrocarbons, such as toluene, o- or p-xylene, or those containing oxygen Compounds such as alcohols, e.g. B. methanol, or aldehydes, e.g. B. acrolein apply.

Insbesondere ist das Verfahren für die katalytische Oxydation des Propylens zu Acrolein und Acrylsäure und bei Gegenwart von Ammoniak zu Acrylnitril in der Gasphase mit Luftsauerstoff oder zu Essigsäure neben Maleinsäure oder für die katalytische Oxydation von o-Xylol zu Phthalsäureanhydrid und bei Gegenwart von Ammoniak zu Phthalodinitril oder für die katalytische Oxydation des Methanols zu Formaldehyd oder die Oxydation von Butenen und Butadien oder Gemischen derselben zu Essigsäure oder Maleinsäure geeignet.In particular, the process for the catalytic oxidation of Propylene to acrolein and acrylic acid and in the presence of ammonia to acrylonitrile in the gas phase with atmospheric oxygen or to acetic acid in addition to maleic acid or for the catalytic oxidation of o-xylene to phthalic anhydride and in the presence from ammonia to phthalonitrile or for the catalytic oxidation of methanol to formaldehyde or the oxidation of butenes and butadiene or mixtures thereof suitable for acetic acid or maleic acid.

Beispiel Die Reaktion wird in einem Ofen, der schematisch in Figur 2 dargestellt ist, mit einem Nutzinhalt von 0,6 1 durchgeführt. Der Kthlplattenabstand beträgt am Gaseingang 10 mm, am Gasausgang 20 mm. Die lineare Gasgeschwindigkeit beträgt bei einer Zufuhr von 60 1 technischem Propylen pro 1 Katalysator und Stunde 730 1 Luft/l,h rind 41 l/l,h Wasserdampf am Eingang in die Schicht 7 cm/sec, am Ausgang aus der Schicht 3,5 cm/sec. Bei einer Katalysatorschicht von 23,7 cm entspricht das einer Verweilzeit von 4,3 seco Bei einer Vorwärmung des Dampf-Gas-Gemisches auf 220 OC und bei einer Badtemperatur von 355 °C werden Acroleinausbeuten von 65 bis 70 Molprozent bei einer Wasserdampfkonzentration bis herab zu 5 Molprozent erhalten. Wird der Katalysator, aus Oxyden des Molybdäns, Wolframs und Tellur bestehend, statt in Form von 3 mm-Pillen als Splitt mit einer Körnung von 1 bis 3 mm eingesetzt, so kann die Propylenbelastung um 30 % vergrößert werden, ohne daß die Acroleinausbeute nachweisbar zurtckgeht. Der Druckverlust ist mit 30 mm Quecksilber wesentlich niedriger als der in einem mit 0,6 bis 1 1 Katalysatorpillen gefüllten vergleichbaren 25 mm-Rohr ( 60 bis 130 mm Quecksilber). Example The reaction is carried out in an oven, which is shown schematically in Figure 2 is shown, carried out with a net capacity of 0.6 l. The cooling plate distance is 10 mm at the gas inlet and 20 mm at the gas outlet. The linear gas velocity with a feed of 60 liters of technical grade propylene per liter of catalyst per hour 730 1 air / l, h rind 41 l / l, h water vapor at the entrance to the layer 7 cm / sec, am Exit from the layer 3.5 cm / sec. With a catalyst layer of 23.7 cm that of a dwell time of 4.3 sec when the steam-gas mixture is preheated at 220.degree. C. and a bath temperature of 355.degree. C., acrolein yields of 65 up to 70 mole percent with a water vapor concentration down to 5 mole percent. The catalyst, consisting of oxides of molybdenum, tungsten and tellurium, takes place in the form of 3 mm pills used as chippings with a grain size of 1 to 3 mm, so the propylene load can be increased by 30% without the acrolein yield demonstrably decreases. The pressure loss is significantly lower with 30 mm of mercury than that in a comparable 25 mm tube filled with 0.6 to 1 liter of catalyst pills (60 to 130 mm mercury).

Vergle ichsbeisniel Wird die Reaktion unter gleichen Bedingungen in einem zylindrischen Rohr durchgeführt, dessen WärmetauschfiEche entsprechend einem inneren Durchmesser von.20 (25) mm vergleichbar ist der mittleren Wärmetauschfläche je Volumeneinheit Katalysator im Beispiel 1, so werden bei einer Schichthöhe von 1,91 (2,04) m und entsprechenden linearen Gasgeschwindigkeiten von 43,5 (58) cm/sec Acroleinausbeuten von 60 bis 65 (50 bis 55) Molprozent erhalten. Bei einer Schichthöhe von 2,86 (3,06) m und entsprechenden Lineargeschwindigkeiten von 65,2 (87) cm/sec konnte wegen zu hoher hot spot-Temperaturen und anschlieBendem Katalysatorzerfall keine Messung durchgeführt werden. For example, if the reaction takes place under the same conditions carried out in a cylindrical tube, the heat exchange area corresponding to an inner diameter of 20 (25) mm is comparable to the mean heat exchange surface per unit volume of catalyst in Example 1, at a layer height of 1.91 (2.04) m and corresponding linear gas velocities of 43.5 (58) cm / sec Acrolein yields of 60 to 65 (50 to 55) mole percent are obtained. At one layer height of 2.86 (3.06) m and corresponding linear speeds of 65.2 (87) cm / sec due to excessively high hot spot temperatures and subsequent catalyst disintegration no measurement can be carried out.

Claims (8)

PatentansprücheClaims 1. Zylindrischer Reaktor für partielle katalytische Oxydationsreaktionen von gasförmigen organischen Verbindungen an festen Katalysatoren, der mit Je einem Stutzen für den Eintritt des Reaktionsgasgemisches und den Austritt der Reaktionsprodukte sowie mit einer Vorrichtung zum Heizen und Kühlen des mit Katalysator gefüllten Reaktionsraumes versehen ist, der so ausgebildet ist, daß miteinander reagierende gasförmige Stoffe die Katalysatorschicht radial durchströmen können, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Reaktor einen Querschnitt aufweist, in dessen Zentrum sich eine kreisförmige Gaszuführung (1) befindet, um die herum ein in Kreisringsektoren (2 und 3) aufgeteilter innerer Ringraum angeordnet ist, der seinerseits von einem weiteren äußeren Ringraum (4) umgeben ist, wobei die Kreisringsektoren des inneren Ringraumes alternierend als mit Katalysator zu füllende Reaktionaräume (2) mit radialer Gaszuführung (1) von der Mitte zum äußeren als Sammler für die entstehenden Reaktionsprodukte ausgebildeten Ringraum (4) und als mit der Heiz- und Kühlvorrichtung in Verbindung stehende Wärmeaustauscher (3), in denen das Kühlmedium den Reaktor senkrecht zur radialen Strömungsrichtung der Reaktionsgase geführt wird, ausgebildet sind.1. Cylindrical reactor for partial catalytic oxidation reactions of gaseous organic compounds on solid catalysts, each with one Nozzle for the inlet of the reaction gas mixture and the outlet of the reaction products as well as with a device for heating and cooling the filled with catalyst Reaction space is provided, which is designed so that reacting with each other gaseous substances can flow radially through the catalyst layer, characterized in that that the cylindrical reactor has a cross section, in the center of which a circular gas supply (1) is located, around which a circular ring sectors (2 and 3) divided inner annulus is arranged, which in turn of a further outer annular space (4) is surrounded, the circular ring sectors of the inner Annular space alternating as reaction spaces (2) to be filled with catalyst with radial Gas feed (1) from the center to the outside as a collector for the reaction products formed formed annular space (4) and as in connection with the heating and cooling device standing heat exchanger (3), in which the cooling medium flows through the reactor perpendicular to the radial flow direction of the reaction gases is performed, are formed. 2. Zylindrischer Reaktor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verhältnis der durch die Zwischenwände zwischen den Kreisringsektoren (6) gebildeten EUhlflächen zu dem Volumen der mit Katalysator zu füllenden Reaktionsräume (2) wie 10 m2/m3 bis 200 m2/m3 verhält.2. Cylindrical reactor according to claim 1, characterized in that that the ratio of the through the partition walls between the circular ring sectors (6) the volume of the reaction spaces to be filled with the catalyst (2) behaves like 10 m2 / m3 to 200 m2 / m3. 3. Zylindrischer Reaktor gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verhältnis der durch die Zwischenwände zwischen den Kreisringsektoren gebildeten Kühl flächen zu dem Volumen der mit Katalysator zu fUllenden Reaktioneräume (2) wie 30 m2/m3 bis 100 m2/m3 verhält.3. Cylindrical reactor according to claim 1 and 2, characterized in that that the ratio of the through the partition walls between the circular ring sectors formed cooling surfaces to the volume of the reaction spaces to be filled with catalyst (2) behaves like 30 m2 / m3 to 100 m2 / m3. 4. Zylindrischer Reaktor gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch 2kennzeichnet, daß der EUhlplattenabstand am Gaseingang zwischen 7 mm und 40 mm, vorzugsweise 10 mm und 25 mm, beträgt.4. Cylindrical reactor according to claim 1 to 3, characterized in 2, that the EUhlplatte distance at the gas inlet between 7 mm and 40 mm, preferably 10 mm and 25 mm. 5. Verfahren zur partiellen katalytischen Oxydation von gasförmigen organischen Verbindungen an festen Katalysatoren in molekularen Sauerstoff- enthaltenden Gasgemischen, bei der die freiwerdende Reaktionswärme mehr als 40 Kcal/Mol beträgt, unter Anwendung von Konzentrationen der gasförmigen organischen Verbindungen an oder oberhalb der unteren Explosionsgrenze, wobei die mittleren Verweilzeiten des Reaktionsgasgemisches zwischen 0,1 und 15 Sekunden betragen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oxydation in einem zylindrischen Reaktor gemäß Anspruch 1 bis 4 durchführt und beim Passieren der Katalysatorschicht eine lineare Gasgeschwindigkeit des Reaktionsgasgemisches zwischen 200 cm/sec und.2 cm/sec einhält.5. Process for the partial catalytic oxidation of gaseous organic compounds on solid catalysts in molecular oxygen-containing Gas mixtures in which the heat of reaction released is more than 40 Kcal / mol, using concentrations of the gaseous organic compounds or above the lower explosion limit, the mean residence times of the Reaction gas mixture between 0.1 and 15 seconds, characterized in that that the oxidation is carried out in a cylindrical reactor according to claims 1 to 4 and a linear gas velocity of the reaction gas mixture as it passes through the catalyst layer between 200 cm / sec and 2 cm / sec. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer radial durchströmten Katalysatorschicht von 100 cm bis 200 cm und bei mittleren Verweilzeiten von 1 bis 10 Sekunden eine lineare Gasgeschwindigkeit zwischen 150 cm/sec und 3 cm/sec eingehalten wird.6. The method according to claim 5, characterized in that at one radial flow through catalyst layer from 100 cm to 200 cm and at middle Residence times from 1 to 10 seconds a linear gas velocity between 150 cm / sec and 3 cm / sec is observed. 7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß man Katalysatorkörnungen von einem mittleren Durchmesser von 2 bis 4 mm verwendet.7. The method according to claim 5 and 6, characterized in that one Catalyst grains with an average diameter of 2 to 4 mm are used. 8. Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als zu oxydierende gasförmige organische Verbindung Propylen verwendet.8. The method according to claim 5 to 7, characterized in that one propylene is used as the gaseous organic compound to be oxidized. Zeichn.Sign. L e e r s e i t eL e r s e i t e
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