DE60109678T2

DE60109678T2 - Nachrüstreaktor mit Gas-Flüssigkeitsejektor und Monolithkatalysator

Info

Publication number: DE60109678T2
Application number: DE60109678T
Authority: DE
Inventors: Reinaldo Mario Machado; Robert Roger Broekhuis
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2021-05-18
Also published as: TW555592B; ATE291960T1; US20020197194A1; CA2347443C; US6506361B1; EP1155738B1; DE60109678D1; EP1155738A2; JP2002035569A; CA2347443A1; EP1155738A3

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Viele Reaktionen in der Industrie, besonders jene, die die Hydrierung organischer Verbindungen beinhalten, werden in gerührten Behälterreaktoren durchgeführt, wobei ein Katalysatorsystem in Form einer Aufschlämmung verwendet wird. Katalysatoraufschlämmungen sind fein verteilte Pulver in der festen Phase und werden in einem flüssigen Reaktionsmedium getragen. Die katalytische Reaktion erfolgt dann durch den Kontakt eines reaktiven Gases, wie Wasserstoff oder Sauerstoff, mit der flüssigen organischen Verbindung in Gegenwart des Katalysators in der festen Phase. Nach Ende der Reaktion wird der Katalysator im allgemeinen durch Filtration entfernt und das Reaktionsprodukt gewonnen.
Katalysatorsysteme in Form einer Aufschlämmung sind in einer Anzahl von Bereichen an sich problematisch, dazu gehören die Industriehygiene, die Sicherheit, die Umwelt, die Abfallerzeugung, die Bedienbarkeit, die Selektivität und die Produktivität. Ein Problem ist zum Beispiel, daß diese Katalysatoren während eines typischen Hydrierungsverfahrens in einem gerührten Behälterreaktor oft manuell gehandhabt werden. Ein anderes besteht darin, daß viele der Katalysatoren, insbesondere Hydrierungskatalysatoren, selbstentzündlich sind und dadurch weitere Sicherheitsprobleme hervorrufen. Diese Probleme treten bis zu einem bestimmten Ausmaß zusammen auf, da die Reaktionsrate oft eine Funktion der Katalysatorkonzentration ist und die Katalysatorkonzentrationen folglich im allgemeinen bei hohen Werten gehalten werden.
Monolithkatalysatoren wurden für die Verwendung bei Gas/Flüssig keits-Reaktionen in der Industrie vorgeschlagen, haben jedoch nur einen begrenzten Erfolg erzielt. Einer der Vorteile von Monolithkatalysatoren gegenüber Katalysatoraufschlämmungen ist, daß sie die Handhabung pulverförmiger Katalysatoren, einschließlich der Katalysatorbeschickung und -filtration nach Abschluß der Reaktion, eliminieren.
Die folgenden Artikel und Patente sind repräsentative Beispiele von katalytischen Verfahren, einschließlich der Hydrierung organischer Verbindungen.
Hatziantoniou, et al. offenbaren in "The Segmented Two-Phase Flow Monolithic Catalyst Reactor. An Alternative for Liquid-Phase Hydrogenations", Ind. Eng. Chem. Fundam., Bd. 23, Nr. 1, 82–88 (1984) die Hydrierung von Nitrobenzoesäure in Aminobenzoesäure in der flüssigen Phase in Gegenwart eines festen Palladium-Monolithkatalysators. Der Monolithkatalysator bestand aus einer Anzahl von parallelen Platten, die durch gerippte Platten voneinander getrennt waren, wodurch ein System aus parallelen Kanälen mit einer Querschnittsfläche von 1 mm² pro Kanal gebildet wurde. Die Zusammensetzung des Monoliths umfaßte ein Gemisch aus Glas, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und geringen Mengen anderer Oxide, das mit Asbestfasern verstärkt war, wobei metallisches Palladium in einer Menge von 2,5 Gew.-% Palladium in den Monolith eingeführt worden war. Das Reaktionssystem wurde als simuliertes, isothermisches, diskontinuierliches Verfahren betrieben. Beschickungskonzentrationen von 50 bis 100 Mol/m³ wurden bei einer Umwandlung von weniger als 10% pro Durchgang zyklisch durch den Reaktor geleitet, bis die abschließende Umwandlung zwischen 50 und 98% lag.
Hatziantoniou, et al. offenbaren in "Mass Transfer and Selectivity in Liquid-Phase Hydrogenation of Nitro Compounds in a Monolithic Catalyst Reactor with Segmented Gas-Liquid Flow", Ind. Eng. Chem.
Process Des. Dev., Bd. 25, Nr. 4, 964–970 (1986) die isothermische Hydrierung von Nitrobenzol und m-Nitrotoluol in einem mit Palladium imprägnierten Monolithkatalysator. Die Autoren berichten, daß die Aktivität des Katalysators hoch war und der Massentransport folglich die Rate bestimmte. Die Hydrierung erfolgte bei 590 bis 980 kPa bei Temperaturen von 73 and 103°C. Es wurde eine Umwandlung von weniger als 10% pro Durchgang erreicht.
US 4,743,577 offenbart Metallkatalysatoren, die sich als dünne Oberflächenschichten auf einem porösen Sintermetallsubstrat erstrecken, für die Verwendung bei Hydrierungs- und Decarbonylierungsreaktionen. Bei der Herstellung eines Monoliths wird zuerst ein aktives katalytisches Material, wie Palladium, als dünne Metallschicht auf der Oberfläche eines zweiten Metalls ausgebreitet, das in Form eines porösen gesinterten Substrats vorliegt, und der entstehende Katalysator wird für Hydrierungs-, Desoxidations- und andere chemische Reaktionen verwendet. Der Metall-Monolithkatalysator enthält katalytische Materialien, wie Palladium, Nickel und Rhodium, sowie auch Platin, Kupfer, Ruthenium, Cobalt und Gemische. Zu den Trägermetallen gehören Titan, Zirconium, Wolfram, Chrom, Nickel und Legierungen.
US 5,063,043 offenbart ein Verfahren zum Hydrieren von Anthrachinonen unter Verwendung eines Monolithreaktors. Der Reaktor arbeitet in einer Konfiguration mit Abwärtsströmung, bei der die Flüssigkeit in Richtung der Oberseite des Reaktors verteilt wird und Wasserstoff durch die Schwerkraftwirkung der absinkenden Flüssigkeit in den Reaktor gezogen wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der es keinen Nettodruckunterschied zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Reaktors gibt, kann diese Verfahrensart als Abwärtsströmung aufgrund der Schwerkraft gekennzeichnet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die für Gas/Flüssigkeits-Reaktionen, wie die bei der Hydrierung oder der Oxidation organischer Verbindungen angewendeten, geeignet ist, und ein Verfahren für die Durchführung von Gas/Flüssigkeits-Reaktionen. Die Vorrichtung umfaßt folgendes:
einen Behälter mit mindestens einem Einlaß zum Einführen von Flüssigkeit, mindestens einem Auslaß zum Entfernen von Flüssigkeit und mindestens einem Auslaß zum Entfernen von Gas;
eine Pumpe mit einem Einlaß und einem Auslaß;
einen Schiebegasejektor für Flüssigkeit mit mindestens einem Einlaß für die Aufnahme von Flüssigkeit, mindestens einem Einlaß für die Aufnahme eines Reaktantengases und mindestens einem Auslaß für die Abgabe eines Gemischs der Flüssigkeit und des Reaktantengases;
einen Monolithkatalysator-Reaktor, getrennt vom Behälter, mit einem Einlaß und einem Auslaß;
wobei:
der Einlaß der Pumpe mit dem Einlaß aus dem Behälter in Verbindung steht, um Flüssigkeit zu entfernen, und der Auslaß der Pumpe mit dem Einlaß des Schiebegasejektors für Flüssigkeit in Verbindung steht, um Flüssigkeit aufzunehmen;
der Auslaß aus dem Schiebegasejektor für Flüssigkeit für die Abgabe des entstandenen Gemischs aus Flüssigkeit und gasförmigem Reaktanten mit dem Einlaß in den Monolithkatalysator-Reaktor in Verbindung steht und der Auslaß des Monolithkatalysator-Reaktors mit zumindest einem Einlaß in den Behälter in Verbindung steht; und
der Auslaß aus dem Behälter zum Entfernen von Gas mit dem Einlaß des Schiebegasejektors für Flüssigkeit in Verbindung steht, um Gas aufzunehmen.
Die hier beschriebene Vorrichtung ermöglicht die Durchführung einer katalytischen Nachrüstung eines Suspensionsreaktors und zeigt dadurch einige der folgenden Vorteile:

• die Möglichkeit, Katalysatoraufschlämmungen zu eliminieren und dadurch Probleme bei der Handhabung, in bezug auf die Umwelt und Sicherheit zu minimieren, die mit Prozessen mit einer Katalysatoraufschlämmung verbunden sind;
• die Möglichkeit, katalytische Reaktoren untereinander auszutauschen, wenn in der gleichen Anlage auf eine andere Chemie übergegangen wird;
• die Möglichkeit, mehrere (aufeinanderfolgende oder parallele) Reaktionen durchzuführen, indem mehrere katalytische Reaktoren verwendet werden, die entweder in Reihe oder parallel angeordnet sind;
• die Möglichkeit, eine Trennung der Reaktanten und der Reaktionsprodukte vom Katalysator während des Aufwärmens und Abkühlens beizubehalten und dadurch die Erzeugung von Nebenprodukten und die Deaktivierung des Katalysators zu minimieren; und
• die Möglichkeit, die Reaktion exakt zu starten und zu unterbrechen, indem die Zirkulation des Reaktorinhalts durch den Schiebegasejektor für Flüssigkeiten und den Monolithkatalysator-Reaktor eingeleitet oder beendet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Zeichnung ist eine Darstellung eines gerührten Behälterreaktors, der für die Verwendung mit einem Monolithkatalysator-Reaktor nachgerüstet worden ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Suspensionsprozesse haben oft das Problem einer übermäßigen Erzeugung von Nebenprodukten und der Verschmutzung oder Deaktivierung des Katalysators. Bei einem Verfahren mit einer Katalysatoraufschlämmung bestehen diese Probleme zusätzlich zu denen der Handhabung und Abtrennung. Eine Erklärung für die Erzeugung von Nebenprodukten und die Deaktivierung des Katalysators ist, daß der Katalysator beim Hochfahren und Abschalten eines Prozesses für längere Zeit in Kontakt mit der flüssigen Phase und den Reaktanten und/oder den Reaktionsprodukten darin steht. Die Bedingungen beim Hochfahren und Abschalten beinhalten das Aufheizen, Abkühlen, unter Druck setzen und Entlüften des gerührten Behälters, was einen nachteiligen Einfluß auf die Qualität des Produktes und die Aktivität des Katalysators haben kann. Die sich ändernden Bedingungen, insbesondere beim Abschalten, wenn der Katalysator mit dem Reaktionsprodukt in Kontakt steht, fördern zum Beispiel oft die Bildung von Nebenprodukten und die Deaktivierung des Katalysators. Folglich schränkt der längere Kontakt des Katalysators mit den Reaktanten und dem Reaktionsprodukt die Möglichkeit der Steuerung der Reaktionsbedingungen durch den Betreiber ein.
Um das Verständnis für diesen nachgerüsteten gerührten Behälterreaktor zu erleichtern, der mit einem Monolithkatalysator ausgestattet ist, und um zu verstehen, wie er sich den vorstehend genannten Problemen zuwendet und diese vielen Vorteile erreicht, die dadurch entstehen können, wird auf 1 Bezug genommen. 1 ist eine schemati sche Darstellung einer Nachrüstungsvorrichtung für einen gerührten Behälterreaktor, die einen Monolithkatalysator-Reaktor verwendet. Das Nachrüstungssystem 2 umfaßt einen Behälter 4, eine Zirkulationspumpe 6, einen Schiebegasejektor 8 für Flüssigkeit und einen Monolithkatalysator-Reaktor 10.
Der Behälter 4, der gewöhnlich vor der Nachrüstung als Suspensionsreaktor mit gerührtem Behälter existiert, weist einen Mantel 12 für die Durchführung des Erwärmens und Abkühlens des Inhalts in dem Reaktor und einen Rührer 14 auf. Andere Einrichtungen, zum Beispiel externe Austauscher zum Erwärmen und Abkühlen und das Bewegen des Inhalts des Behälters, wie sie gewöhnlich mit der Praxis in der Industrie verbunden sind, können in der Nachrüstungsvorrichtung 2 verwendet werden. Der Behälter 4 ist mit mindestens einem Einlaß für die flüssige Beschickung, typischerweise zwei oder mehreren, ausgestattet. Wie gezeigt, sorgt der Einlaß 16 für das Einführen der flüssigen Beschickung oder des Reaktanten, der aus einer flüssigen Verbindung oder einer Lösung einer solchen Verbindung in einem geeigneten Lösungsmittel bestehen kann. Die Einlaßleitung 18 sorgt für das Einführen des Abflusses der Reaktion aus dem Auslaß eines Monolithkatalysator-Reaktors 10. Der flüssige Abfluß, der aus dem Reaktionsprodukt besteht und in Abhängigkeit von den Bedingungen unreagierte Beschickung enthalten kann, strömt durch den Auslaß 20 aus dem Behälter 4 zum Einlaß der Zirkulationspumpe 6.
Die Zirkulationspumpe 6 befördert den flüssigen Reaktanten durch die Umlaufleitung 22 zum Schiebegasejektor 8 für Flüssigkeit, und die Strömungsrate der Flüssigkeit wird entweder durch ein Regelventil 23 oder die Zirkulationspumpe 6 gesteuert. Die Zirkulationspumpe 6 liefert die Bewegungsenergie, um das Reaktantengas durch die Leitung 24 aus dem Kopfraum des Behälters 4 oder aus der Leitung 26 für die Gasauffrischung zum Gaseinlaß des Schiebegasejektors für Flüssigkeit abzuziehen. Der maximale Gasstrom wird durch die Strömungsrate der Flüssigkeit bestimmt. Er kann mit dem Ventil 27 bei einer geringeren Strömung gesteuert werden.
Der Monolithkatalysator-Reaktor 10 umfaßt selbst eine Struktur mit parallelen Kanälen, die entlang der Länge der Struktur verlaufen. Die Struktur, die gewöhnlich als Monolith bezeichnet wird, kann aus Keramik-, Kohle- oder Metallsubstraten oder Kombinationen davon aufgebaut sein. Die Struktur kann direkt oder unter Anwendung eines Washcoat-Verfahrens oder eines Kohlebeschichtungsverfahrens mit einem katalytischen Material beschichtet werden, wobei Verfahren angewendet werden, die auf dem Fachgebiet der Katalysatorherstellung bekannt sind. In einer anderen Ausführungsform können die Katalysatorpartikel in den Kanälen angeordnet werden, statt daß die Oberfläche der Kanäle mit Katalysatormaterialien beschichtet wird. Die Kanäle des Monolithkatalysator-Reaktors können unterschiedliche Formen haben, zum Beispiel kreisförmig, quadratisch, rechtwinklig oder hexagonal. Die Struktur kann 10 bis 1000 Zellen pro 6,45 cm² (square inch) Querschnittsfläche enthalten. Ein Monolithträger, der mit Katalysator gefüllt ist, kann 10 bis 50 Zellen pro 6,45 cm² (square inch) haben, während Monolithträger, bei denen die Oberfläche mit dem Katalysator beschichtet ist, 200 bis 1000 Zellen pro 6,45 cm² (square inch) aufweisen können.
Es kann eine große Vielzahl von katalytischen aktiven Materialien in oder auf den Monolithkatalysator-Reaktor gebracht werden, wobei dies von der durchzuführenden Reaktion abhängt. Zu Beispielen gehören Edel- und Übergangsmetalle, Raney-Metalle, Metalloxide und -sulfide, Metallkomplexe und Enzyme und Kombinationen und Gemische davon, wie eine Kombination aus Palladium-Nickel. Die Konzentration der katalytisch aktiven Verbindung wird durch die Reaktionsraten und den Massentransport auf die und zu der katalytischen Oberfläche bestimmt und liegt typischerweise im Bereich von 0,5 bis 10 Gew.-%, jeweils auf das Gewicht des Monoliths oder das Gewicht des Washcoats bezo gen, falls ein solcher verwendet wird.
Der Durchmesser und die Länge des Reaktors sind so bemessen, daß die gewünschten Geschwindigkeiten und Verweilzeiten im Reaktor bereitgestellt werden. Der Reaktordurchmesser wird so gewählt, daß eine Oberflächengeschwindigkeit der Flüssigkeit durch den Reaktor von 0,05 bis 1,0 m/s, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 m/s erreicht wird. Diese Strömungsraten stehen mit dem Erfordernis in Einklang, hohe Raten des Massentransports zu erreichen. Die Reaktorlänge wird so gewählt, daß eine Verweilzeit im Reaktor von 0,5 bis 60 Sekunden erreicht wird, wobei dies von der Geschwindigkeit abhängt, mit der die chemische Reaktion abläuft. Praktische Gesichtspunkte schränken die Länge des Reaktors auf nicht weniger als die Hälfte des Durchmessers des Reaktors und im allgemeinen nicht mehr als etwa 3 m ein.
Es wurde festgestellt, daß die Leistung der Monolithkatalysator-Reaktorkomponente der Nachrüstungsvorrichtung verbessert wird, wenn an deren Einlaß ein Schiebegasejektor für Flüssigkeiten aufgenommen wird. Der Schiebegasejektor für Flüssigkeiten kombiniert die Flüssigkeit mit dem Reaktantengas unter Bedingungen, die sowohl das Mischen als auch einen stärkeren Massentransport im Monolithkatalysator-Reaktor verbessern. Diese Verbesserungen können erreicht werden, da der Schiebegasejektor für Flüssigkeit eine Steuerung des Drucks ermöglicht, mit dem das Gas/Flüssigkeits-Gemisch auf den Monolithkatalysator-Reaktor trifft. Es ist erwünscht, daß der Einlaßdruck, der durch den Schiebegasejektor für Flüssigkeit aufgebaut wird, die Druckhöhe der Flüssigkeit im Monolithkatalysator-Reaktor übersteigt. Der Druckunterschied wird als "pounds per square inch differential" (psid) angegeben. Typischerweise kann der Druckunterschied im Bereich von 0 bis 2,07 bar (0 bis etwa 30 psid) liegen, er liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von 0,0345 bis 1,38 bar (0,5 bis etwa 20 psid).
Einer der Vorteile, der durch die Nachrüstungsvorrichtung erreicht wird, besteht in der Tatsache, daß die Reaktanten und das Reaktionsprodukt, abgesehen von dem Zeitraum, in dem diese Komponenten während der Reaktionsphase mit dem Katalysator selbst in Kontakt stehen, vom Katalysator getrennt gehalten werden. Das wird durch die besondere Konfiguration der Nachrüstungsvorrichtung erreicht, die einen Behälter 4 verwendet und für eine bessere Aktivität des Katalysators, eine geringere Deaktivierungsrate des Katalysators und weniger Nebenprodukte sorgt. Der Verfahrensmodus, um diese bessere Leistung zu erreichen, ist in den folgenden Absätzen beschrieben.
Flüssigkeit wird durch die Beschickungsleitung 16 in den Behälter 4 eingeführt. In einigen Fällen kann es von Vorteil sein, die Flüssigkeit stromaufwärts oder stromabwärts des Schiebegasejektors für Flüssigkeit oder des Monolithkatalysator-Reaktors in die Umlaufleitung 22 einzuführen. Die im Behälter erzeugte Beschickung zirkuliert durch die Zirkulationspumpe zum Schiebegasejektor für Flüssigkeit und wird mit Gas gemischt. Das Verfahren kann diskontinuierlich durchgeführt werden, wobei der Inhalt im Behälter 4 aus dem Behälter, durch den Ejektor, durch den Monolithkatalysator-Reaktor und dann wieder in den Behälterreaktor befördert wird, bis die gewünschte Umwandlung erreicht ist. Gegebenenfalls kann das Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden, indem ein Teil der Flüssigkeit durch die Produktleitung 28 abgezogen wird. Wenn das Verfahren nicht kontinuierlich durchgeführt wird, ist es gewöhnlich vorteilhaft, die Zirkulation der Flüssigkeit nur zu starten, nachdem alle für die Reaktion erforderlichen Bedingungen erreicht sind, das heißt, daß die Flüssigkeit auf die Temperatur erwärmt und das Reaktantengas auf den Druck gebracht worden sind.
Die Flüssigkeit zirkuliert mittels der Zirkulationspumpe 6 aus dem Behälter 4 und wird durch die Leitung 22 zum Einlaß des Schiebegasejektors 8 für Flüssigkeit befördert. Die gasförmige Komponente für die Reaktion wird durch die Absaugleitung 24 aus dem Kopfraum des Behälters 4 abgezogen und gleichzeitig durch die Hochdruckflüssigkeit unter Druck gesetzt und mit dieser gemischt, die dem Schiebegasejektor für Flüssigkeit zugeführt wird. Der Volumendurchsatz des Reaktantengases beträgt im allgemeinen etwa 5 bis 200%, typischerweise 50 bis 150% des Volumens der Reaktantenflüssigkeit. Da Reaktantengas im katalytischen Reaktor verbraucht wird, kann es durch eine Gasauffrischung ergänzt werden, die durch die Leitung 26 zugeführt wird. Die Gasauffrischung kann an irgendeiner Stelle im Verfahren eingeführt werden, wie zum Beispiel in den Kopfraum oder den flüssigen Inhalt des Behälters 4, in die Absaugleitung 24 oder in die Leitungsführung stromabwärts des Ejektors.
Der Einbau des Schiebegasejektors für Flüssigkeit stellt einen beträchtliche Vorteil gegenüber einem Verfahren nach dem Modus dar, bei dem eine Abwärtsströmung aufgrund der Schwerkraft vorliegt. Bei dem Modus mit Abwärtsströmung aufgrund der Schwerkraft wird die Oberflächengeschwindigkeit der Flüssigkeit weitestgehend von der Größe der Strömungswege (Monolithkanäle oder Abstand zwischen den Partikeln innerhalb dieser Kanäle) bestimmt. Das Verfahren mit Abwärtsströmung aufgrund der Schwerkraft ist in den meisten praktischen Fällen auf Monolithe beschränkt, die nicht mehr als 400 nicht unterbrochene Kanäle pro 6,45 cm² (square inch) Querschnitt aufweisen. Der Schwerkraftmodus ist auch Instabilitäten der Strömung und einer Umkehr der Strömungsrichtung unterworfen. Durch die Möglichkeit, einen hohen Druckabfall innerhalb des Monolithkatalysator-Reaktors und hohe Geschwindigkeiten der Flüssigkeit zu erzeugen, können hohe Raten des Massentransports erzielt werden. Sie ermöglicht auch den Betrieb des Monoliths in irgendeinem Winkel zur Senkrechten, einschließlich einem Modus mit Aufwärtsströmung oder einer waagerechten Anordnung; sie vermeidet bei diesem Verfahren auch Instabilitäten.
Da die Reaktorkomponente der Nachrüstungsvorrichtung von der Be schickung und dem Reaktionsprodukt getrennt ist, das im Behälter 4 zurückgehalten wird, kann die Reaktion durchgeführt werden, bis die gewünschte Umwandlung erreicht ist, zu diesem Zeitpunkt wird die Zirkulation durch den Reaktor beendet. Schließlich wird das Reaktionsprodukt durch die Leitung 28 entfernt. Das ermöglicht eine Optimierung der Umwandlung in bezug auf die Selektivität, da höhere Umwandlungen häufig zu einer stärkeren Bildung von Nebenprodukten führen. Außerdem ist bei einer gegebenen Umwandlung die Erzeugung von Nebenprodukten normalerweise geringer als bei Verfahren in einem herkömmlichen gerührten Behälter, da die Flüssigkeit nicht ständig mit der Katalysatorkomponente des Reaktionssystems in Kontakt steht und da durch die Kombination von Ejektor und Monolithkatalysator-Reaktor routinemäßig hohe Raten des Massentransports erreicht werden können.
Die folgenden Beispiele erläutern verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und im Vergleich mit dem Stand der Technik.
Beispiel 1
Abwärtsströmung aufgrund der Schwerkraft durch eine Monolithstruktur
In diesem Beispiel wurde eine Vorrichtung verwendet, die die erfindungsgemäßen Elemente enthält (Behälter, Pumpe, Schiebegasejektor für Flüssigkeit und eine Monolithstruktur, die einen Durchmesser von 5,08 cm (2 inch) und eine Länge von 61 cm (24 inch) hat und 400 Kanäle pro 6,45 cm² (square inch) Querschnittsfläche enthält), um die Rate des Massentransports von Sauerstoff aus der Gasphase (Luft) in die flüssige Phase (eine wäßrige Lösung von Natriumsulfit) zu messen, wobei ein stationäres Sulfitoxidationsverfahren angewendet wurde. Der Schiebegasejektor für Flüssigkeit wurde als Gas/Flüssigkeits-Verteilungsvorrichtung verwendet, arbeitete jedoch derart, daß Bedingungen mit einer Abwärtsströmung aufgrund der Schwerkraft simuliert wurden.
Die Strömungsrate der Flüssigkeit durch den Ejektor und die Monolithstruktur wurde so gewählt, daß es innerhalb der Monolithstruktur keinen Nettodruckabfall gab, das heißt der Reibungsdruckverlust glich die Zunahme des statischen Drucks aus. Diese Bedingung wurde durch Einschränkung der Strömung der Flüssigkeit erreicht und wurde bei folgenden Betriebsparametern eingestellt: Strömungsrate der Flüssigkeit 9,1 l/m, Strömungsrate des Gases 10,0 l/min, Druck der Flüssigkeit am Einlaß des Ejektors 0,758 bar (11 psig), Nettodruckabfall 0 bar (0 psid).
Die Rate des Massentransports wird anhand des volumetrischen Gas/Flüssigkeits-Massentransportkoeffizienten k_La angegeben. Je größer der Wert von k_La, desto größer die mögliche Produktivität des Reaktors in einer reaktiven Gas/Flüssigkeits-Umgebung. Der Koeffizient k_La wurde unter diesen Bedingungen gemessen und betrug 1,45 s^–1.
Beispiel 2
Von einem Ejektor gesteuerter Strom durch eine Monolithstruktur Die Strömungsbedingungen wurden unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Vorrichtung eingestellt, wobei der Ejektor sowohl als Vorrichtung zum Verteilen von Flüssigkeit/Gas als auch als Gaskompressor verwendet wurde, das heißt ohne daß der Strom der Flüssigkeit eingeschränkt wurde. Unter diesen Bedingungen waren die entsprechenden Betriebsparameter wie folgt: Strömungsrate der Flüssigkeit 23,9 l/min, Strömungsrate des Gases 36,1 l/min, Druck der Flüssigkeit am Einlaß zum Ejektor 4,48 bar (65 psig), Nettodruckabfall 0,023 bar (~3,3 psid). Der Koeffizient k_La wurde bei diesen Bedingungen gemessen und betrug 5,48 s^–1.
Die nachfolgende Tabelle 1 vergleicht die Ergebnisse der Beispiele 1 und 2.
Aus Tabelle 1 wird deutlich, daß der Verfahrensmodus mit Abwärtsströmung aufgrund der Schwerkraft die erreichbaren Oberflächengeschwindigkeiten von Flüssigkeit und Gas einschränkt und dadurch den Massentransportkoeffizienten von Gas/Flüssigkeit begrenzt. Bei dem von einem Ejektor gesteuerten Strömungsmodus kann der positive Nettodruckabfall dazu dienen, die Oberflächengeschwindigkeiten von Flüssigkeit und Gas zu erhöhen, womit ein großer Vorteil beim Massentransportkoeffizienten von Gas/Flüssigkeit erreicht wird. Die deutliche Verbesserung beim Massentransport beruht auf der treibenden Kraft in Form des Nettodrucks, die vom Schiebegasejektor für Flüssigkeit ausgeübt wird. Die Möglichkeit, eine treibende Kraft in Form eines Überdrucks zu erreichen, ermöglicht die Verwendung von stärker eingeschränkten Monolithkatalysator-Reaktoren und Monolithkatalysator-Reaktoren mit einer größeren Anzahl von Kanälen pro square inch bei gleichzeitig höheren Werten des Massentransports, die dann die Produktivität verbessern können.

Claims

Vorrichtung für Gas-Flüssigkeits-Reaktionen, wie den bei der Hydrierung oder Oxidation organischer Verbindungen angewendeten, die folgendes aufweist: einen Behälter mit mindestens einem Einlaß zum Einführen von Flüssigkeit, mindestens einem Auslaß zum Entfernen von Flüssigkeit und mindestens einem Auslaß zum Entfernen von Gas; eine Pumpe mit einem Einlaß und einem Auslaß; einen Schiebegasejektor für Flüssigkeit mit mindestens einem Einlaß für die Aufnahme von Flüssigkeit, mindestens einem Einlaß für die Aufnahme eines Reaktantengases und mindestens einem Auslaß für die Abgabe eines Gemischs der Flüssigkeit und des Reaktantengases; einen Monolithkatalysator-Reaktor, getrennt vom Behälter, mit einem Einlaß und einem Auslaß; wobei: der Einlaß der Pumpe mit dem Einlaß aus dem Behälter in Verbindung steht, um Flüssigkeit zu entfernen, und der Auslaß der Pumpe mit dem Einlaß des Schiebegasejektors für Flüssigkeit in Verbindung steht, um Flüssigkeit aufzunehmen; der Auslaß aus dem Schiebegasejektor für Flüssigkeit für die Abgabe des entstandenen Gemischs aus Flüssigkeit und gasförmigem Reaktanten mit dem Einlaß in den Monolithkatalysator-Reaktor in Verbindung steht und der Auslaß des Monolithkatalysator-Reaktors mit zumindest einem Einlaß in den Behälter in Verbindung steht; und der Auslaß aus dem Behälter zum Entfernen von Gas mit dem Einlaß des Schiebegasejektors für Flüssigkeit in Verbindung steht, um Gas aufzunehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Monolithkatalysator-Reaktor 10 bis 1000 Kanäle pro 6,45 cm² (inch²) Querschnittsfläche enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die monolithische Struktur aus Metall, Keramik oder Kohle oder Kombinationen davon hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Kanäle des Monoliths mit Katalysatorpartikeln gefüllt sind und der Monolithkatalysator-Reaktor 10 bis 50 Kanäle pro 6,45 cm² (inch²) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Träger mit einem katalytischen Metall beschichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Träger 200 bis 1000 Kanäle pro 6,45 cm² (inch²) aufweist.
Verfahren zur katalytischen Umsetzung von Verbindungen, bei dem eine flüssige Verbindung in Gegenwart einer katalytischen Komponente mit einem gasförmigen Reaktanten in Kontakt gebracht wird, das die Durchführung der Reaktion in einer katalytischen Nachrüstung für einen Suspensionsreaktor umfaßt, umfassend: (a) Zirkulieren eines Beschickungsgemischs aus gasförmigem Reaktanten und flüssiger Verbindung bei Bedingungen zu einem Schiebegasejektor für Flüssigkeit, so daß der gasförmige Reaktant und die flüssige Verbindung vermischt werden; (b) Entfernen des Gemischs aus flüssiger Verbindung und Reaktantengas aus dem Schiebegasejektor für Flüssigkeit und Einführen dieses Gemischs in den Einlaß eines getrennten Monolithkatalysator-Reaktors; (c) Durchführen der Reaktion zwischen der flüssigen Verbindung und dem gasförmigen Reaktanten und somit Erzeugen eines Reaktionsproduktes, das unreagierte flüssige Verbindung, unreagierten gasförmigen Reaktanten und Endprodukt enthält; (d) Entfernen des Reaktionsproduktes aus dem Auslaß des Monolithkatalysator-Reaktors und Einführen in einen Behälter; (e) Entfernen von Reaktionsprodukt und weiterer flüssiger Verbindung aus dem Behälter; (f) Entfernen des Gases aus dem Behälter; (g) Zirkulieren des Reaktionsproduktes, das im Schritt (d) in den Behälter abgegeben wurde, zum Schiebegasejektor für Flüssigkeit und dessen Vereinigen mit Gas aus dem Kopfraum des Behälters durch den Schritt (f), und dann durch den Monolithkatalysator-Reaktor, bis die gewünschte Umwandlung erfolgt ist, und anschließend (h) Entfernen des Endproduktes aus dem Verfahren, wenn die Reaktion die gewünschte Umwandlung erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Verweilzeit innerhalb des Monolithkatalysator-Reaktors 0,5 bis 60 Sekunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Monolithkatalysator-Reaktor 10 bis 50 Kanäle pro 6,45 cm² (inch²) aufweist und die Kanäle mit Katalysatorpartikeln gefüllt sind.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Druckunterschied vom Einlaß in den Monolithkatalysator-Reaktor zum Auslaß des Monolithkatalysator-Reaktors 0,0345 bis 2,07 bar (0,5 bis 30 pounds per square inch) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kanaldichte im Monolithkatalysator-Reaktor 200 bis 1000 Kanäle pro 6,45 cm² (inch²) beträgt und der Katalysator als Schicht auf die Wände des Trägers aufgebracht ist.