ADIABATIC GAS REACTOR

Abstract: 1. Adiabatic gas reactor consisting of at least one reaction chamber (1) in which a solid catalyst is disposed on a support member between an entry chamber (6) and an exit chamber, the support member being penetrated by substantially straight, continuous, open channels the ends of which open into the entry or exit chamber and the walls of which are charged with the active catalysts material, and at least one gas supply line (12) and one gas discharge line (8), characterised in that the reactor is fitted with a gas circulating pump (3) which circulates the reaction gas, and with connecting channels (4) which lead directly from the exit chamber of the reaction chamber to the intake end of the gas circulating pump and from the delivery end of the gas circulating pump to the entry chamber of the reaction chamber and in that the support member for the catalyst is in the form of a honeycomb structure.

Description: Adiabatischer Gasreaktor Die Erfindung betrifft einen adiabatischen Gasreaktor, in dem das reagierende Gas im Kreislauf über einen fest angeordneten Katalysator geführt wird. Innerhalb des Gaskreislaufes ist kein Wärmeaustauscher zur Zu- oder Abführung von Reaktionswärme und keine Aufarbeitungsvorrichtung zur Entnahme bestimmter Bestandteile des Reaktionsgases vorgesehen. Bei hoher Umwälzrate, d.h. einem hohen Verhältnis des durch den Reaktionsraum geführten Gasstromes im Verhältnis zu dem zu- bzw. abge führten Gasstrom, wird ' "Rührkesselverhalten" im Reaktor erreicht. Man bezeichnet damit einen Betriebszustand, bei dem Konzentrations- und Temperaturunterschiede in dem gesamten Reaktor äusserst klein werden und im theoretischen Grenzfall - nämlich bei unendlich hoher Um- wälzrate - gänzlich verschwinden. Wegen der nur differentiellen hinderung der Betriebszustände im Reaktor spricht man auch von einem Differential Reaktor. Differential-Reaktoren sind bisher nur im Laboratoriumsmassstab bekannt und dienen ausschliesslich dazu, die Kinetik von Gasreaktionen zu untersuchen. Bei einem bewährten Aufbau von Differential-Reaktoren ist das Katalysatonnaterial in körniger Form als Schüttung in einem zylindrischen Reaktionsraum angeordnet. Das aus dem Reaktionsraum austretende Reaktionsgas wird auf ein Radialgebläse geleitet, welches das Reaktionsgas in dem Ringraum zwischen dem zylindrischen Reaktionsraum und der äusseren Reaktorwandung zur Ein trittskananer vor dem Reaktionsraum zurückführt. Ein Teil des Reaktionsgases kann kontinuierlich entnommen werden, während an einer anderen Stelle des Reaktors frisches Reaktionsgas kontinuierlich zugeführt wird. Beim Durchströmen der Katalysatorschüttung erleidet das Reaktionsgas einen Druckverlust, der allerdings bei den bekannten Laboratoriumsgeräten dieser Art vernachlässigbar ilein ist. Auch spielt die Leistungsaufnahme der Gasuswälzpumpe bei dieser Grössenordnung keine Rolle. Die technische Anwendung von Differential Reaktoren für heterogene Gasreaktionen ist zwar nicht bekannt. Für den Fachmann ist es jedoch erkennbar, dass der Druckverlust an der zu durchströmenden Katalysatorschüttung beträchtlich sein und eine Gasumwälzpumpe von erheblicher Leistung erforderlich machen würde. Ein dem Rührkesselverhalten nahekommender Betriebszustand, der den gleichen Druck im gesamten Reaktionsraum voraussetzt, wäre im grosstechnischen Massstab unerreichbar. Ein adiabatischer Reaktor für heterogene Gasreaktionen ist aus der DE-OS 23 24 164 bekannt. Auch hier wird ein Teil des Reaktionsgases im Kreislauf geführt. Um den Druckverlust beim Durchtrömen des Katalysatorbettes gering zu halten, ist der Katalysator in einem ringförmigen Katalysatorraum angeordnet, der radial durchströmt wird. Der Gaskreislauf wjatd mittels des durch eine Düse eingeblasenen Frischgases in Bewegung gehalten. Wegen des beschränkten Wirkungsgrades einer solchen Gasumlaufvorrichtung ist der Volumenanteil des rückgeführten Reaktionsgases verhältnismässig gering. Der Betriebszustand des Reaktors ist daher vom idealen Ruhrkesselverhalten weit entfernt. D. Arntz und F. Fetting (Chemie-Ing. -Technik MS 722/79) haben eine Versuchsanordnung beschrieben, bei der ein Reaktionsgas über einen Wabenkatalysator und mehrere Wärmetauscher im Kreislauf geführt wird. Die Anlage wird nicht adiabatisch betrieben und dient der reaktionskinetischen Untersuchung von Wabenkatalysatoren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem adiabatischen Gasreaktor - von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 besahriebenen Art den Druckabfall beim Durchströmen des Reaktionsraumes herabzusetzen und dadurch die Leistungsaufnahme der Gasumwälzpumpe zu vermindern. Eine Lösung der gestellten Aufgabe wurde in dem Reaktor gemäss Anspruch 1 gefunden. Der verwendete Katalysatorträgerkörper wird auch als Monolith- oder Wabenkatalysator bezeichnet; vgl. Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Aufl. Bd. 13, S. 561-62. Wabenkatalysatoren werden überwiegend zur Abgasentgiftung und-Verbrennung verwendet, sind jedoch noch nicht in technischen Anlagen zur Erzeugung von chemischen Umsetzungsprodukten angewandt worden. Von herkömmlichen Rohrbündelreaktoren, die ebenfalls von geradlinigen, den Katalysator enthaltenden Kanälen durchzogen sind, unterscheiden sich Wabenkatalysatoren dadurch, dass die geradlinigen durchlaufenden Kanäle offen sind und dass das aktive Katalysatormaterial nur in bzw. auf der Wandung der Xanäle angeordnet ist. Die offenen Kanäle werden mit geringem Druckverlust durchströmt. Der Strömungswiderstand hängt von der Feinstruktur ab und beträgt vorzugsweise höchstens 0,3 bar, insbesondere weniger als 0,1 bar pro Meter Wabenkörperlänge, gemessen bei einer Gasgeschwindigkeit -(Leerrohrgeschwindigkeit) von 500 m/min bei 2600C für Luft. Der erfindungsgemässe Reaktor kann in einem Betriebszustand betrieben werden, der dem ideal durchmischten Rührkessel weitgehend angenähert ist. Dadurch ist es möglich, die gesamte Umsetzung bei oder nahe dem Op- timum der Umsetzungsbedingungen ablaufen zu lassen. Im Gegensatz dazu heizt sich das Gasgemisch in einem herkömmlichen Rohrreaktor immer weiter auf und entfernt sich dabei von dem optimalen Betriebspunkt.¯Mit Mit zu- nehmender Gastemperatur können zunehmend unkontrollierte Nebenreaktionen auftreten. Dabei wird weitere Reaktionswärme frei, so dass die Uberhitzung lawinenartig anschwillt. Es entstehen in dem Reaktionsraum Inseln von stark erhöhter Temperatur, in der Fachsprache auch als "hot spots" bezeichnet, an denen nicht nur ein Teil der Ausbeute verloren geht, sondern oft auch die Aktivität des Katalysators irreversibel geschädigt wird. Diese Gefahr lässt sich vermeiden, wenn man das Reaktionsgas mit erheblichen Mengen an inerten Moderatorgasen, wie Stickstoff, Wasserdampf oder Kohlendioxid, verdünnt. Bei Verwendung des erfindungsgemässen Reaktors kann auf Moderatorgase verzichtet werden, ohne dass die Gefahr einer allgemeinen oder lokalen Uberhitzung besteht. Ein weiterer Vorteil besteht in der unmittelbaren Verwertung der Reaktionswärme zum Aufheizen des kontinuierlich zugeführten Frischgases auf die Reaktionstemperatur. Beim Zumischen des kalten Frischgases in den Gaskreislauf wird dessen Temperatur nur differentiell erniedrigt. Beim Durchgang durch den Reaktionsraum wird das Gasgemisch um den gleichen differentiellen Betrag wieder aufgeheizt. In analoger Weise ändern sich die Konzentrationen der Ausgangsund Endstoffe durch das Zumischen von Frischgas und die Umsetzung im Reaktionsraum jeweils nur um differentielle Beträge. Man erreicht optimale Umsetzungsbedingungen Umsetzungsbedingungen, insbesondere eine hohe Selektivität und Ausbeute, in der Regel bei weitgehender Annäherung an den Zustand des ideal durchmischten Ruhrkessels. Bei einer allmählichen Verminderung des Verhältnisses des Gasumlaufs zur Frischgaszufuhr werden Ausbeute und Selektivität in der Regel zunächst nur wenig beeinträchtigt und sinken beim Unterschreiten einer bestimmten, reaktionstypischen Umwälzrate stark ab. Um die Leistungsaufnahme der Gasumwälzpumpe so niedrig wie möglich zu halten, wird im allgemeinen dicht über dem genannten Grenzwert der Umwälzrate gearbeitet. In der Praxis wird vorzugsweise mit einem Umwälzverhältnis von 3 - 100 Volumenteilen Kreislaufgas je Volumenteil Frischgas gearbeitet. Der bevorzugte Arbeitsbereich liegt bei einem Umwälzverhältnis zwischen 5 und 25. Eine zweckmässge Gestaltung des erfindungsgemässen Reaktors ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt. F i g u r 1 zeigt in einem axialen Schnitt einen zylindrischen Reaktor. F i g u r 2 zeigt einen Querschnitt durch den Wabenkatalysator. In dem zylindrischen Reaktionsraum (1) ist der Wabenkatalysator (2) in der Weise angeordnet, dass die geradlinigen Kanäle parallel zur Zylinderachse verlaufen. Der Raum zwischen dem unteren Ende des Wabenkatalysators und dem Radialgebläse (3) stellt gleichzeitig den Ausgangsraum des Reaktionsraumes und den Verbindungskanal zur Saugseite der Gasumwälzpumpe dar. Der Ringraum (4) zwischen dem Reaktionsraum und der äusseren Wandung (5) des Reaktors stellt den Verbindungskanal zum Eingangsraum (6) des Reaktionsraumes dar. In den Eingangsraum (6) mündet die Frischgaszufuhrleitung (7a). Eine gleichmässigere Durchmischung des Frischgases mit dem rückgeführten Reaktionsgas wird erreicht, wenn das Frischgas an einer oder mehreren Stellen (7b) in den Ringraum (4) eingefuhrt wird. Silber die Leitung (8) wird Reaktionsgas abgeführt. Um eine weitgehend adiabatische Betriebsweise zu gewährleisten, kann die Reaktorwand (5) mit einer Isolierschicht (9) umkleidet sein. Bei der Verwendung des Reaktors für stark exotherme Reaktionen ist eine wirksame BEÅarmeisolierung oft nicht erforderlich, d.h. man kann von der streng adiabatischen Betriebsweise etwas abweichen. Das Radialgebläse (3) wird mittels einer Antriebsvorrichtung (10) über eine Welle (11), die durch die Reaktorwand und die Isolierung (9) führt, angetrieben. In manchen Fällen ist es zweckmässig, das Frischgas oder einen Teil oder eine Komponente desselben über den Wellenschacht (12), in welchem die Welle (11) läuft, in den Reaktor einzuführen C7c). Je nach der Grösse und der Art der durchzuführenden Reaktionen kann der erfindungsgemässe Reaktor abweichend von der obigen Gestaltung ausgeführt werden. Beispielsweise kann es zweckmässiger sein, die Verbindungskanäle in Form von separaten Rohrleitungen ausserhalb des eigentlichen Reaktorgehäuses verlaufen zu lassen. Ebenso kann die Gasumwälzpumpe an einer beliebigen Stelle ausserhalb des Reaktorgehäuses in den Verbindungskanal eingebaut sein. Die Gasumwälz pumpe kann nach jedem bekannten Prinzip der Beförderung von Gasen arbeiten; neben den schon erwähnten Radialgebläsen kommen beispielsweise Axialgebläse oder Drehkolbenpumpen in Betracht. Als Reaktionsraum wird jeweils eine Einheit eines aus vielen Einzelkanälen aufgebauten Wabenkatalysators betrachtet. Der erfindungsgemässe Reaktor kann eine Mehrzahl oder Vielzahl von neben- bzw. hintereinander angeordneten Reaktionsräumen enthalten. Wabenkatalysatorträger werden nach dem Extrusionsoder dem Wickelverfahren aus üblichen Trägermaterialien hergestellt, z.B. aus Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Mullit, Cordierit, Spondumen oder Zirkonoxid. Ubliche Querschnittsformen sind in Figur 2 dargestellt. Der Durchmesser einer Einheit liegt in der Regel zwischen 5 und 50 cm. Wenn der Querschnitt quadratisch, drei- oder sechseckig ist, kann eine Vielzahl von derartigen Einheiten zu einer grossen Querschnittsfläche gebündelt werden. Jede einzelne Einheit enthält eine Vielzahl von Einzelkanälen mit Durchmessern zwischen 0,5 und 10 mm. Die Kanäle sind durch dünne Wände voneinander getrennt; übliche Wandstärken liegen zwischen 0,1 und 3 mm. Bei extrem dünnen Wänden von z..B. 0,1 mm ist eine zugängliche Oberfläche bis zu 40 cm2 je cm3 bei einer freien Anströmfläche bis zu 80 % der gesamten Querschnittsfläche erreichbar. Die Länge der einzelnen Einheiten ist bei der Herstellung durch Extrusion kaum begrenzt. Längen von einem oder mehreren Metern sind erreichbar; noch grössere Längen lassen sich durch Hintereinanderschalten mehrerer Einheiten verwirklichen. Die katalytisch aktive Substanz wird bei nichtporösen Trägerkörpern nur auf die Innenwände der Kanäle aufgebracht und kann bei porösen Trägern zusätzlich auch in das Wandmaterial selbst eingelagert werden. Die Arbeitsgänge des Imprägnierens oder Auffällens und des anschliessenden Trocknens und Kalzinierens entsprechen denen von anderen üblichen Katalysatorträgern. Vorteilhaft ist es, den Wabenkörper während der Imprägnierung oder Auffällung in der Achse der Strömungskanäle zu schwenken, um eine örtlich gleichmässige Belegung zu erzielen. Als katalytisch aktives Material können alle Stoffe eingesetzt werden, die als Katalysatoren für heterogene Gasreaktionen wirksam sind. Beispiele typischer Katalysatoren sind Metalle, wie Nickel, Silber und Platinmetalle, Metalloxide wie Vanadin-, Eisen-, Chrom-, Mangan-, Uranoxide, ferner Heteropolysäuren wie Phosphorwolframsäure oder Phosphormolybdänsäure und deren Salze, z.B. Vanadin- oder Eisensalze, und Mischkatalysatoren aus einer Mehrzahl von metallischen und nichtmetallischen Elementen.

Claims: Patentansprüche 1. Adiabatischer Gasreaktor, bestehend aus wenigstens einem Reaktionsraum, in dem ein fester Katalysator zwischen einem Eingangs und einem Ausgangsraum angeordnet ist, einer Gasuntwäl ipumpe und Verbindungskanälen, die unmittelbar vom Ausgangsraum des Reaktions raumes zur Saugseite der Gasuswälapumpe und von der Druckseite der Gasumwälzpumpe zum Eingangsraum des Reaktionsraumes führen, sowie wenigstens einer Gaszufuhr- und einer Gasab führungsleitung, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum wenigstens einen Waben körper als Katalysatorträger enthält, der von im wesentlichen geradlinigen, durchgehenden, offenen Kanälen durchzogen ist, deren Enden in den Eingangs- bzw.Ausgangsraum des Reaktions raumes münden und deren Wandungen mit dem aktiven Katalysatormaterial beladen sind. 2. Gasreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Katalysatorträgerkörper einen Strömungswiderstand von höchstens 0,3 bar pro Meter Länge (gemessen bei einer Gasgeschwindig keit von 500 m/min bei 2600C für Luft) hat. 3. Gasreaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, da durch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum, die Gasumwälzpumpe und die Verbindungskanäle in einem gemeinsamen Reaktorgehäuse angeordnet sind.

Inventors: SIEGERT, HERMANN-JOSEF, DR.
Applicants: ROHM GMBH
Application year: 1981
Main classification: B01J12
IPC codes: B01J35, B01J12, B01J19, B01J15