DD206462A3

DD206462A3 - Mehrstufenwirbelschichtreaktor fuer gas-feststoffreaktionen

Info

Publication number: DD206462A3
Application number: DD23328581A
Authority: DD
Inventors: Richard Kilian; Karl-Ernst Knaack; Joachim Wehner; Rolf Marschner; Gert Damschke; Heinz Hebisch; Winfriet Schuetze
Original assignee: Petrolchemisches Kombinat
Priority date: 1981-09-15
Filing date: 1981-09-15
Publication date: 1984-01-25
Also published as: BG43737A1; RO86577A; RO86577B; DE3232730A1

Abstract

DIE ERFINDUNG BEZIEHT SICH AUF WIRBELSCHICHTREAKTOREN ZUR DURCHFUEHRUNG VON GAS-FESTSTOFFREAKTIONEN, BEI DENEN BESTANDTEILE DES FESTSTOFFES UND GASE MITEINANDER ALS REAKTIONSPARTNER IN DER WIRBELSCHICHT REAGIEREN UND DABEI FESTE UND GASFOERMIGE REAKTIONSPRODUKTE LIEFERN. DABEI SOLLEN DURCH DIE VORRICHTUNG HOHE UMSAETZE AN FESTSTOFFREAKTIONSPARTNERBESTANDTEILEN BEI HOEHEREN RAUMZEITAUSBAUTEN, ABGESENKTEN REAKTIONSTEMPERATUREN SOWIE EIN MINIMALER DRUCKVERLUST ERREICHT WERDEN. DAS WESEN DER ERFINDUNG BESTEHT IN EINEM WIRBELSCHICHTREAKTOR AUS MEHREREN, DURCH SENKRECHTE ROHRE VERBUNDENEN, UEBEREINANDER ANGEORDNETEN STUFEN BZW. EINZELWIRBELSCHICHTEN, WOBEI DIE VERBINDUNGSROHRLEITUNGEN SO ANGEORDNET UND MIT ZUSATZVORRICHTUNGEN VERSEHEN SIND, DASS EINE GLEICHMAESSIGE FESTSTOFFBEAUFSCHLAGUNG DER EINZELNEN STUFEN NACHEINANDER MIT HOHER WIRBELSCHICHTDICHTE UND MINIMALEN FESTSTOFFRUECKTRANSPORT ZU VORHERGEHENDEN STUFEN ERREICHT WIRD. DIE ERFINDUNG FINDET INSBESONDERE ANWENDUNG BEI DEM REGENERIEREN VON GEBRAUCHTEN KOHLENSTOFFENTHALTENDEN KATALYSATOREN UND OXYDATIONSKATALYSATOREN CHEMISCHER SYNTHESEN, BEI DENEN ZUM AUFBAU DER KATALYTISCHEN AKTIVITAET FESTSTOFFREAKTIONEN MIT GASEN IN DER WIRBELSCHICHT NOTWENDIG SIND.

Description

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Titel der Erfindung,

Mehrstufenwirbelschichtreaktor für Gas-Peststoffreaktionen

IPKj B 01 J 8/28

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich, auf Wirbelschichtreaktoren als Vorrichtung zur Durchführung von Gas-Peststoffreaktionen, in denen der Peststoff auf Grund gewollter starker Gasturbulenz regellosen Vermischungsbewegungen unterliegt und in Schwebe gehalten wird. Anwendungsgebiet der Erfindung sind allgemein Vorrichtungen zur Durchführung von Gas-Peststoffreaktionen bei ebnen Bestandteile des Peststoffes und Gase miteinander als Reaktionspartner in der Wirbelschicht reagieren und dabei feste und gasförmige Reaktionsprodukte liefern» Insbesondere das Regenerieren von gebrachten kohlenstoff enthalt enden Katalysatoren und von Oxydationskatal.ysatoren chemischer Synthesen, bei denen zum Aufbau der katalytischen Aktivität Peststoffreaktionen mit Gasen in der Wirbelschicht notwendig sind, gehören zum Hauptanwandungsgebiet der Erfindung·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Wirbelschichtreaktoren zur Durchführung chemischer Reaktionen zwischen Peststoffen und Gasen bestehen gewöhnlich aus einem aufrechtstehenden zylindrischen Behälter, über dessen Boden Gasverteilereinrichtungen zur Reaktantengaszuführung, am Kopf Zyklonabscheider zur Zurückhaltung des Peststoffes von Reaktorabgasstrom und am Umfang oder am Boden bzw« Kopf Zu- und Abführungsleitungen für den

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Feststoff angeordnet sind,, Wird der Peststoff bzw. feste Bestandteile als Reaktionspartner verwendet und beträgt die auf das Leerraumvolumen bezogene Lineargasgeschwindigkeit mindestens das 3-5 fache der minimalen Pluidisationsgeschwindigkeit der Peststoffpartikel, so unterliegen die Peststoffpartikel einer intensiven Rückvermischungο Die starke Rückvermischung verringert die Reaktionsgeschwindigkeit bzw« fordert bei festgelegtem Umsatz größere Reaktorräume oder Verweilzeiten. Deswegen verwendet man teilweise auch Siebeinbauten oder Füllkörperpackungen zur Unterdrückung der Rückvermischung in Wirbelschichtreaktoren. Aus Tracermessungen zur Ermittlung von quantitativen Meßgrößen für die Partikelrückvermischung ist aber bekannt, daß Wirbelschichtreaktoren ohne Einbauten äquivalente Rührkesselzahlen von 1,1 - 1,5 und Wirbelschichtreaktoren mit geringen Raumanteil von Einbauten je nach Einbautentyp auch nur äquivalente Rührkesselzahlen von 1,2-2 erreichen. Außerdem gibt es in der industriellen Praxis hauptsächlich Offenbettreaktoren bzw. Wirbelschichtreaktoren mit nur geringer Wirkung von Einbauten, da Einbauten neben den positiven Eigenschaften der Verminderung der Rückvermischung und Erhöhung des Stoffaustausches oft auch andere negative Eigenschaften wie z. B. Versetzungen mitsichbringen. Auch FCC-Regeneratoren enthalten keine die Rückvermischung hemmende Einbauten, obwohl der geforderte KohlenstoffUmsatz während der Regeneration des Katalysators 90 % übersteigt. Durch diese intensive Rückvermischung des Reaktionspartners Pest stoff im Wirbel-schichtreaktor sind für geforderte hohe Umsätze nur niedrige Belastungen bzw„ Raumzeitausbeuten möglich, de he die Verweilzeit muß sehr groß sein. Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit dieser Reaktoren kann die Reaktionstemperatur erhöht werden·

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Bei geforderten extrem hohen Umsätzen sind starke Temperaturerhöhungen notwendig, die wiederum Konkurrenzreaktionen oder erst bei höheren Temperaturen aktivierte unerwünschte Peststoffreaktionen ermöglichen_o Oder man verwendet weiterhin zur Unterbindung der Peststoff rückVermischung, wie in der DE-OS 2813227 offenbart senkrechte Trennbleche und 2 übereinander angeordnete Stufen von Einzelwirbelschichten mit seitlichem Überlauf von der oberen zur unteren Wirbelschichtstufe. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß der Gasdurchbruch durch den Peststoffüberlauf durch eine Art Zellradschleuse unterbunden werden muß und die senkrechten Trennbleche innerhalb einer horizontalen Stufe bei breiter Korngrößenverteilung der Peststoffpartikel zur Pest stoffsedimentation und damit zur uneinheitlichen Produktqualität der ausgeführten chemischen Reaktion auf dem Pest stoff führen·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es ein Wirbelschichtreaktor für Gas-Peststoffreaktionen zu entwickeln, der vergleichbar hohe Umsätze an Peststoffreaktionspartnerbestandteilen bei höheren Raumzeitausbeuten und deutlich abgesenkten Reaktionstemperaturen als mit Mitteln des Standes der Technik erreicht.

Die Vorrichtung zur Durchführung von Gas-Peststoffreaktionen zeichnet sich aus durch eine minimale hydrostatische Wirbelschichthöhe, d_e h. die Einstellung eines minimalen Druckverlustes für die gasförmigen Reaktionspartner, um ζ, B. bei der Anwendung als Katalysatorregenerator technologisch günstige Parallelschaltungen mit dem Vifirbelschichtsynthesereaktor zu erreichen»

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Darlegung des Wesens .der Erfindung.

Das Wesen der Erfindung besteht in einem Wirbelschichtreaktor aus mehreren, durch senkrechte Rohre verbundenen, übereinander angeordneten Stufen bzw«,Einzelwirbelschichten in einem aufrechtstehenden zylindrischen Apparat, wobei die Verbindungsrohrleitungen so angeordnet und mit Zusatzvorrichtungen versehen sind, daß eine gleichmäßige Feststoffbeaufschlagung der einzelnen Stufen nacheinander mit hoher Wirbelschichtdichte und minimalen Peststoffrücktransport zu vorhergehenden Stufen erreicht und die Ansammlung grober Peststoffpartikel am Boden jeder Stufe durch Sedimentation vermieden wird. Es ist weiterhin möglich durch Zugabe der gasförmigen Eeaktanten in jede Stufe der Gas-Peststoffwirbelschicht und geeinge^vte Abgasentnahme aus jeder Stufe eine weitere Erhöhung der Kaumzeitausbeute bei vergleichbarem Umsatz gegenüber der Verwendung von Mitteln des Standes der Technik zu erreichen« Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt, daß aus einer apparativen Reihenschaltung der übereinander angeordneten Stufen hinsichtlich des Gas- und Peststoffstromes jedoch strömungsmäßig eine Parallelschaltung entsteht. Das heißt, der Gasströmungswiderstand als auch der äquivalente Druckverlust der hydrostatischen Wirbelschichthöhe beträgt für den ganzen Apparat nur den Wert einer Stufe. Die Pigur 1 dient zur deutlicheren Erläuterung des Wesens der Erfindung in einer dreistufigen Ausführung. Dabei gelangt der Peststoffreaktionspartner über Leitung 3 in die erste obere Reaktionsstufe und wird durch Reaktantengasaufgäbe über Verteiler 1 in Schwebe gehalten. Durch das Standrohr 8 kommt der Peststoff bereits teilweise umgesetzt in die jeweils darunterliegende Reaktionsstufe und verläßt schließlich über Leitung 5 der letzten Stufe seitlich oder am Boden den Reaktionsapparate Das Standrohr 8 ist am unteren Ende so in die darunterliegende Wirbelschicht einzutauchen und abzuschließen} daß ein Rücktransport von Peststoff in die nächsthöhere Stufe durch Gasdurchbruch weitgehend unterdrückt wird

Die Standrohre 8 jeder Stufe ermöglichen stromabwärts

Die Ausbildung der gewünschten Wirbelbetthöhe und tauchen am unteren Ende in die Wirbelschicht der darunter liegenden Stufe ein« Das untere Ende des Standrohres 8 besitzt eine Strb'mungsumlenkung um & ==20 bis 90°. Dazu können entweder gerade Rohrstücke wie in Figur 2 unter dem Winkel oCoder Rohrkrümmer mit dem Krümmungswinkel <X, wie in Figur 3 am unteren senkrechten Rohrende des Standrohres 8 angesetzt werden. Über die Abgasrohre 7 jeder Stufe werden die gasförmigen Reaktionsprodukte ohne Surchströmen der darüber liegenden Wirbelschichtstufen, schließlich dem Zyklon 6 und damit der Abgasleitung 4 des Mehrstufenwirbelschichtreaktors zugeführt· Zur Unterbindung des Mitreißens von Peststoff in darüberliegende Stufen durch den Abgasstrom in Rohr 7» d.h. im Sinne der Verringerung von Feststoffrücktransport, soll Abgasrohr 7 höher als Standrohr 8 jeder Stufe enden. Abgasrohr 7 kann an seinem unteren Ende, d.h. am Kopf jeder Wirbelbettstufe einen Gasaufnahmediffusor, Multidiffus or oder Blechsegmentverteiler zur Erreichung einer gleichmäßigeren Durchströmung des Wirbelbettes enthalten. Da zum Erreichen hoher Raumzeitausbeuten in Wirbelschichten hohe Wirbeldichten notwendig sind, muß die damit verbundene FeststoffSedimentation auf jedem Zwischenboden 2 durch definierte Bohrungen 9 oder Kurzschlußrohrleitungen 10 verhindert werden.

Der Durchmesser der Bohrungen bzw* der Kurzschlußleitung soll je nach ausgeführter Wirbelbettdichte 2 bis 4 mal so groß wie der nach der Torricelli'sehen Ausflußformel berechnete gewählt werden. Keinesfalls handelt es sich bei den Zwischenböden 2 um perforierte, gelochte, geschlitzte oder.anders regelmäßig durchbro-

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chene Böden mit freiem Querschnitt s 10 1 Für Reaktionen 0» Ordnung "bietet der Mehrstufenwirbelsohichtreaktor keine Vorteile gegenüber dem einstufigen Apparat des Standes der Technik« Der Vorteil der Erfindung wächst besonders mit steigender Reaktionsordnung un<$ mit steigendem geforderten Umsatz an Peststoffreaktionspartnero Mir Reaktionen 1„ Ordnung sind generell 2 Stufen und für Reaktionen 2. Ordnung mindestens 2 Stufen notwendige Voraussetzung für eine maximale Ausnutzung der positiven Effekte der Erfindung bereits bei nur mäßigen geforderten Umsätzen von 50 bis 70 %»

Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wird die Stufenzahl auf 2 bis 5 beschränkt bleiben.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles und Zeichnungen näher erläutert werden·

Ausführungsbeispiel

Figo 1 zeigt einen dreistufigen Mehrstufenwirbelschichtreaktor

Pig» 2 zeigt das Ende des Standrohres 8 mit geraden Rohrstück

Pig, 3 zeigt das Ende des Standrohres 8 mit Rohrkrümmer

Ein Mehrstufenwirbelschichtreaktor analog der Figur 1 wurde in zweistufiger Ausführung zur Reoxidation eines handelsüblichen MuItikomponentenoxidationskatalysators der Acrylnitrilsynthese verwendet. Dazu wurde über Leitung 3 reduktiv geschädigter Katalysator aus dem Synthesereaktor der 1. Stufe zugeführt und nach Passieren von Rohr 8 und der zweiten unteren Stufe über Rohr 5

mit einem Umsatz von 71 % abgezogen« Der Umsata bezieht sich auf die Reoxydation ausgewählter Metalloxide dea Acrylnitrilsyntheaekatalyaators und wird durch Reaktion mit Luft sauer stoff über Verteiler 1 bei 7Ö0 bis 1000 K erreicht· Die Durchführung der Reoxydation in der erfindungsgemäßen zweistufigen Wirbelschichtreaktorvorrichtung erlaubte bei gleichem Umsatz von 71 °/o eine Erhöhung der Raumzeit ausbeute auf das 1,5 fache gegenüber der Anwendung einer einstufigen Ausführung mit Mitteln des Standes der Technik« Die Durchführung der Reoxydationsreaktion dee Multikomponentenoxydationskatalysators der Acrylnitrilsynthese bei gleicher Raumzeitausbeute in einer einstufigen Wirbelschichtreaktorausführung wäre nur durch eine Erhöhung der Reoxydationstemperatur um ca* 40 K möglich* Dabei erhöht sich dann aber die unerwünschte Reaktionsgeschwindigkeit der Verfluchtigung des Molybdänoxids aua dem Katalysator auf den 1,9 fachen Werte'Das schränkt die Langzeitanwendung der Reoxydation bei höheren Temperaturen ein«,

Claims

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Erf indun gsanspruch

1. Mehrstufenwirbelsdiichtreaktor für Gas-Feststoffreaktionen mit gasundurchlässigen Trennböden nnd separater Gaszuführung in jeder Stufe, gekennzeichnet dadurch, daß in einem zylindrischen Apparat 2-5, übereinander angeordnete Stufen durch Zwischenböden (2) mit Standrohren (8), Bohrungen (9) und oder Kurzschlußleitungen (10) gebildet werden und die parallele Führung des Gas und Feststoffstromes dadurch realisiert wird, daß Abgasrohre (?) durch die Zwischenböden (2) führeq und oberhalb der Standrohre (8) enden·
2. Mehrstufenwirbelschichtreaktor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abgasrohre (7) an ihren unteren Enden mit einem Diffusor bzw. Multidiffusor oder Blechsegmentverteiler versehen sind.
3. Mehrstufenwirbelschichtreaktor nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Standrohre (8) am unteren Ende mit Rohrkrümmern oder geraden Eohrstücken, die einen Winkel zwischen 20 - 90 aufweisen, ausgerüstet sind·

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