DE1150954B - Verfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung einer katalytischen Umsetzung in der Dampfphase - Google Patents

Description

INTERNAT.KL. B 01 j

DEUTSCHES

PATENTAMT

B61478IVa/12g

ANMELDBTAG:

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT:

1. MÄRZ 1961

4. JULI 1963

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer katalytischen Umsetzung in der Dampfphase in einem Bett aus Katalysatorteilchen, die durch einen Strom von verdampften Reaktionsteilnehmern in einer Reaktionskammer in Fließzustand gehalten werden.

Bei der Durchführung chemischer Dampfphasenreaktionen in einem Katalysator-Fließbett ist es zur Erzielung optimaler Ergebnisse wichtig, die Umsetzungstemperatur im Katalysatorbett auf einen gewünschten Bereich einzustellen. Weiterhin ist es zur Vermeidung einer Zersetzung des Reaktionsprodukts und/oder weiterer unerwünschter Nebenreaktionen wichtig, das Reaktionsgemisch bei Beendigung der Umsetzung schnell abzukühlen. Dieses Abkühlen oder Abschrecken derartiger Reaktionsgemische bereitet wegen des Wärmeübergangs von der Reaktionszone in die Abschreckzone auf Grund der großen Menge des dauernd im Fließbett in Umlauf gesetzten Katalysators große Schwierigkeiten. Obwohl es bereits bekannt ist, zur Steuerung des Umlaufs der Katalysatorteilchen im Fließbett Prallbleche anzuordnen, behindert eine derartige Maßnahme notwendigerweise in gewissem Umfang den Strom der Reaktionsteilnehmer durch das Katalysatorbett, wobei ein gleichmäßiger Kontakt zwischen allen Teilen des Reaktionsteilnehmerstroms und der Katalysatorteilchen verhindert wird. Ein Versuch, die Kühl- bzw. Abschreckschlangen zwecks Herabsetzung des Wänneabtransports von der Reaktionszone physikalisch von dem sich in der dichten Phase befindlichen Katalysator zu trennen, führt zu Schwierigkeiten in der Aufrechterhaltung einer angemessenen Steuerung sowie zur Notwendigkeit unerwünscht großer Kühlflächen, die durch vom Dampfstrom mitgeführte Katalysator-Feinstteilchen verschmutzt werden. Andererseits verbraucht die Einspritzung eines Kühlgases oder -dampfes in den Produktstrom zwecks Abschreckung des Reaktionsgemisches erhebliche Energiemengen und erfordert die Vergrößerung des Filtersystems, der Kühler usw. und die Handhabung eines vergrößerten Gas- oder Dampfvolumens im System.

Weiterhin ist bereits ein Verfahren zur katalytischen Synthese von Kohlenwasserstoffen bekannt, bei dem das Gasgemisch nur durch ein einziges dichtphasiges Bett geleitet wird, in welchem die Reaktionstemperatur aufrechterhalten wird. Wenn jedoch in einem einzigen derartigen dichtphasigen Bett nur eine einzige Heiz- oder Kühlschlange verwendet wird, kann nicht einerseits die gewünschte Reaktionstemperatur aufrechterhalten und andererseits das Reaktionsgemisch sofort im Anschluß an die Umsetzung auf eine nied-Verfahren und Vorrichtung

zur Durchführung einer katalytischen Umsetzung in der Dampfphase

Anmelder:

The Badger Company, Inc., Cambridge, Mass. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. pbil. G. Henkel, Baden-Baden-Balg,

und Dr. rer. nat. W.-D. Henkel, München 9, Eduard-Schmid-Str. 2, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 3. März 1960 (Nr. 12 544)

William Pierre Caubu Rousseau, Reading, Mass.

(V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

rigere Temperatur abgekühlt werden. Wenn aber in das den Katalysator in verdünnter Phase enthaltende Bett eine zweite Schlange eingesetzt wird, um die gewünschte Temperaturerniedrigung zu erzielen, zeigt es sich, daß der Wärmeübergang zwischen Schlange und Reaktionsgemisch so gering ist, daß die Abkühlung nur sehr schwer eingestellt werden kann. Wenn aber andererseits die Kühlschlange unmittelbar in das dichtphasige Bett hinter der Heizschlange eingesetzt wird, findet ein so großer Wärmeübergang vom einen Teil des dichtphasigen Bettes zum anderen statt, daß es äußerst schwierig ist, das gewünschte Temperaturgefälle zwischen den einzelnen Teilen des dichtphasigen Bettes aufrechtzuerhalten.

Demgegenüber schafft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung einer katalytischen Umsetzung in der Dampfphase, bei der ein Reaktionsteilnehmerdämpfe enthaltender Strom aufwärts durch ein dichtphasiges Bett von im Fließzustand gehaltenen Katalysatorteilchen hindurchgeleitet wird, wobei durch indirekten Wärmeaustausch in diesem dichtphasigen Bett die Reaktionstemperatur aufrechterhalten wird, und der Gasstrom anschließend aus dem dichtphasigen Bett durch ein oberhalb dieses Bettes gelegenes, Katalysatorteilchen in verdünnter Phase enthalten-

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Unmittelbar über dem die dichte Katalysatorphase enthaltenden Bett 14 in der Reaktionskammer 10 befindet sich ein Bett 26 eines in verdünnter Phase befindlichen Katalysators, in der die Katalysatorteil-5 chen vom Strom des Reaktionsgemisches getrennt werden. Die große Dichte im Bett 14 zusammen mit dem schnellen und turbulenten Umlauf der Katalysatorteilchen in diesem Bett bewirken einen guten Wärmeübergang, was die Aufrechterhaltung einheit-

des Bett hindurchgeführt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Strom anschließend durch ein über dem dünnphasigen Bett angeordnetes weiteres Katalysatorteilchen in dichter Phase enthaltendes Bett hindurchgeleitet wird, wobei die Temperatur in diesem zweiten dichtphasigen Bett durch indirekten Wärmeaustausch so eingestellt wird, daß sie unter der Temperatur im ersten dichtphasigen Bett liegt, und der Katalysator von der Oberfläche dieses zweiten

dichtphasigen Bettes in das erste dichtphasige Bett io licher Temperaturbedingungen in dem in dichter

zurückgeleitet wird. Phase befindlichen Bett erleichtert. Die geringe Dichte

Das vorstehende Verfahren läßt sich in einer Vor- im die verdünnte Phase enthaltenden Bett 26 bringt richtung ausführen, die. aus einer senkrecht stehenden andererseits schlechte Wärmeübergangseigenschaften zylindrischen Reaktionskammer mit zur Temperatur- hervor und isoliert somit thermisch das die dichte einstellung dienenden Schlangen sowie einem Ein- 15 Phase enthaltende Bett 14 von einem zweiten, Katalaß in der Nähe ihres Bodens für die Reaktionsteil- lysatorteilchen in dichter Phase enthaltenden Abnehmerdämpfe besteht, bei der erfindungsgemäß die schreckbett 28, welches auf einem Gitter 30 oberhalb Kammer nacheinander über dem Einlaß in Abstän- des die verdünnte Phase enthaltenden Bettes 26 geden zwei Gitterroste sowie Schlangen für Wärmeaus- halten wird. Im Abschreckbett 26 ist eine Schlange 32 tauschmittel über den Rosten aufweist, wobei eine 20 vorgesehen, durch die ein beliebiges Heiz- oder durch den oberen Rost führende Überströmleitung Kühlmedium hindurchgeleitet werden kann. Die Vervorgesehen ist. sorgung der Schlange 32 mit dem Heiz- bzw. Kühl-

Die praktische Ausführung der Erfindung gewähr- medium ist vorzugsweise vollständig unabhängig von leistet eine einfache Steuerung der Temperatur in der Versorgung der Schlange 24 mit einem Heiz-bzw. einem Reaktionssystem unter Verwendung eines ein 25 Kühlmedium, wodurch die Temperatur im Abschreck-Fließbett bildenden Katalysators mit geringem tech- bett 28 niedriger gehalten werden kann als im Bett 14. nischem Aufwand. Über dem Bett 28 befindet sich ein zweites Bett 34

Man erreicht ferner eine Steuerung der Temperatur mit einem sich in verdünnter Phase befindlichen Ka-

im Hauptreaktionsbett eines solchen Systems prak- talysator, in welchem die Katalysatorteilchen vom

tisch unabhängig von der Temperatur eines anschlie- 30 Strom des Reaktionsgemisches getrennt werden. Der

ßenden Abschreckvorgangs mit einem Mindestmaß das gewünschte Endprodukt enthaltende Reaktions-

an Wärmeübergang von der einen zur nächsten Stufe. gemischstrom fließt aufwärts durch den Hauptauslaß

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der 36, von wo aus er zwecks Entfernung mitgerissener

Zeichnung näher veranschaulicht. Katalysatorteilchen einem üblichen Filtersystem zuge-

Die in der Figur dargestellte, im wesentlichen lot- 35 führt werden kann. In der Nähe des oberen Endes recht angeordnete Reaktionskammer 10 weist ein der Reaktionskammer 10 ist eine Leitung 38 vorge-Quernetzgitter 12 auf, das ein Bett 14 eines sich in sehen, durch die frische oder Ersatzkatalysatormengen einer dichten Phase befindlichen Katalysators in dem entweder fortlaufend oder in gewünschten Abständen dafür vorgesehenen Raum hält. Dieses Bett wird zugeführt werden können, während in der Nähe des durch einen aufwärts hindurchgeleiteten, die Reak- 40 Bodens des Reaktionsbettes 14 eine weitere Leitung tionsteilnehmer in Dampf- oder Gasform enthaltenden 40 vorgesehen sein kann, über welche verbrauchte Strom in einem turbulenten Fließzustand gehalten. Katalysatormengen entweder fortlaufend oder in ge-Nahe dem Boden der Kammer 10 ist eine Einrichtung wünschten Abständen abgezogen werden können, zur Einführung der Reaktionsteilnehmer in Form In der Reaktionskammer 10 ist eine im wesenteines Verteilers 16 vorgesehen, dem die Teilnehmer 45 liehen lotrecht angeordnete Leitung bzw. Steigleitung über Leitungen 18 und 20 zugeführt werden. Weiter- 42 vorgesehen, deren oberes Ende neben dem Oberhin kann gewünschtenf alls eine zusätzliche Leitung 22 teil des Abschreckbettes 28 endet und dessen unteres zur Einführung eines dritten oder zusätzlichen Reak- Ende sich in das Reaktionsbett 14 öffnet. In einigem tionsteilnehmers oder zur Einführung einer zusatz- Abstand unterhalb des Unterendes der Leitung 42 liehen Menge eines der beiden durch den Verteiler 50 befindet sich ein Prallblech 44, das ein Eintreten des 16 zugeführten Reaktionsteihiehmers vorgesehen sein. Aufwärtsstroms aus dem Reaktionsgemisch in die Im Bett 14 des sich in dichter Phase befindlichen Leitung verhindert. Die Leitung 42 dient als ÜberKatalysators ist eine Schlange 24 zur Einstellung der füeßrohr zur Steuerung der Tiefe des Abschreckbettes Temperatur dieses Bettes vorgesehen, durch die eine 28 und zur Zurückführung überschüssiger Katalysaherkömmliche Heiz- oder Kühlflüssigkeit in üblicher 55 tormengen in das Reaktionsbett 14, falls die Tiefe Weise hindurchgeleitet werden kann, um die Tempe- des Abschreckbettes 28 zu groß wird. Diese Anordratur im erforderlichen Bereich zu halten.

Zum Beispiel kann im Reaktor durch exotherme Oxydation in der Dampfphase ein verdampfbares

organisches Material mit Hilfe von Luft oder Sauer- 60 stoff oxydiert werden, wie Naphthalin oder Orthoxylol zu Phthalsäureanhydrid. In diesem Fall kann der verwendete Katalysator Vanadiumpentoxyd sein. Selbstverständlich ist die Anwendung der Erfindung nicht

auf eine solche Oxydationsumsetzung beschränkt, 65 gründlich abgeschreckt wird und irgendwelche Reaksondern kann bei allen möglichen exothermen oder tionen oder Zersetzungen auf ein Mindestmaß herabsonstigen in der Dampfphase stattfindenden chemi- gesetzt werden, die sonst unter Umständen auftreten sehen Umsetzungen angewandt werden. könnten, obwohl nur eine verhältnismäßig kleine

nung gleicht automatisch ein übermäßiges Hinübertragen von Katalysatorteilchen vom Reaktionsbett 14 in das Abschreckbett 28 aus.

Auf Grund der hohen Dichte und der Turbulenz im Abschreckbett 28 ergibt sich zwischen der Schlange 32 und dem Strom des das Endprodukt enthaltenden Reaktionsgemisches ein guter Wärmeübergang, wodurch das Reaktionsgemisch schnell und

Kühlfläche für die Schlange 32 verwendet zu werden braucht.

Beispiel

Selbstverständlich hängen die physikalischen Abmessungen der Reaktionskammer und der Katalysatorbetten von der Art der Umsetzung und der Art des Katalysators sowie von der gewünschten Durchgangsleistung ab. Beispielsweise beträgt die Speisegeschwindigkeit zur Erzielung zufriedenstellender Ergebnisse bei der Oxydation von Naphthalin zu Naphthalinsäureanhydrid bei Verwendung eines Vanadiumpentoxyd-Katalysators 0,01 bis 0,5 Gewichtsteile und vorzugsweise 0,03 bis 0,06 Gewichtsteile Naphthalin pro Stunde und pro Gewichtseinheit des Katalysators. Das Gewichtsverhältnis von Luft zu Naphthalin kann 8 zu 30 und vorzugsweise 10 zu 15 betragen. Obwohl eine Vorerwärmung des Luft-Naphthalin-Gemisches wünschenswert ist, ist dies jedoch nicht notwendig, sondern das Naphthalin kann entweder als Flüssigkeit oder in Dampfform in die Reaktionskammer eingeführt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsteilnehmerstroms durch die Katalysatorbetten kann 6 bis 90 cm/s und vorzugsweise 15 bis 60 cm/s bei einer Kontaktzeit im Reaktionsbett

14 von 5 bis 30 Sekunden und vorzugsweise 10 bis 20 Sekunden betragen. Demgemäß kann das Bett 14 mit dem sich in dichter Phase befindlichen Katalysator je nach der angewandten Strömungsgeschwindigkeit und Kontaktzeit 152 bis 1220 cm und Vorzugsweise 350 bis 915 cm lang sein.

Das Abschreckbett bzw. zweite Bett 28 mit dem in dichter Phase befindlichen Katalysator besitzt eine Tiefe von 91 bis 610 cm und vorzugsweise von 152 bis 427 cm, wodurch eine Kontaktzeit von 3 bis

15 Sekunden erreicht wird, während das als wärmeisolierende Schranke zwischen den Betten 14 und 28 dienende, die verdünnte Phase enthaltende Bett 26 eine Tiefe von 30 bis 610 cm und vorzugsweise von 305 bis 458 cm besitzt, was eine Übergangszeit von 1 bis 15 Sekunden für den Reaktionsgemischstrom ergibt.

Die Temperatur im Reaktionsbett 14 mit dem in dichter Phase befindlichen Katalysator wird mit Hilfe des durch die Kühlschlange 24 hindurchgeleiteten Kühlmediums auf 300 bis 450° C und vorzugsweise auf etwa 350° C gehalten, während der Strom des Kühlmediums durch die Schlange 32 so eingestellt wird, daß diese im Abschreckbett 28 eine Temperatur von 200 bis 320° C und vorzugsweise von etwa 250° C aufrechterhält.

Selbstverständlich können je nach Wunsch eine oder mehrere Überströmleitungen 42 verwendet werden, die entweder am Umfang oder in der Mitte der Reaktionskammer 10 oder außerhalb dieser Kammer angeordnet sein können, um die gewünschte Tiefe im Abschreckbett 28 aufrechtzuerhalten.

Es können Ausbeuten an Phthalsäure von mehr als 40,8 kg pro 45,4 kg zugeführtem Naphthalin erhalten werden. Ähnliche verbesserte Ergebnisse ergeben sich bei der Oxydation von Orthoxylol zu Phthalsäure und bei anderen exothermen Umsetzungen in der Dampfphase.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Durchführung einer katalytischen Umsetzung in der Dampfphase, bei der ein Reaktionsteilnehmerdämpfe enthaltender Strom aufwärts durch ein dichtphasiges Bett von in Fließzustand gehaltenen Katalysatorteilchen hindurchgeleitet wird, wobei durch indirekten Wärmeaustausch in diesem dichtphasigen Bett die Reaktionstemperatur aufrechterhalten wird, und der Gasstrom anschließend aus dem dichtphasigen Bett durch ein oberhalb dieses Bettes gelegenes, Katalysatorteilchen in verdünnter Phase enthaltendes Bett hindurchgeführt wird, dadurch ge kennzeichnet, daß der Strom anschließend durch ein über dem dünnphasigen Bett angeordnetes weiteres Katalysatorteilchen in dichter Phase enthaltendes Bett hindurchgeleitet wird, wobei die Temperatur in diesem zweiten dichtphasigen Bett durch indirekten Wärmeaustausch so eingestellt wird, daß sie unter der Temperatur im ersten dichtphasigen Bett liegt, und der Katalysator von der Oberfläche dieses zweiten dichtphasigen Bettes in das erste dichtphasige Bett zurückgeleitet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer senkrecht stehenden zylindrischen Reaktionskammer mit zur Temperatureinstellung dienenden Schlangen sowie einem Einlaß in der Nähe ihres Bodens für die Reaktionsteilnehmerdämpfe, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer nacheinander über dem Einlaß in Abständen zwei Gitterroste sowie Schlangen für Wärmeaustauschmittel über den Rosten aufweist, wobei eine durch den oberen Rost führende Überströmleitung vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 811 347.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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