DE848035C - Verfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung exothermer katalytischer Reaktionen in Kontaktoefen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytischer Reaktionen in Kontaktöfen Das Patent 838 508 betrifft ein Verfahren zur Durchfuhrung vor Gasreaktionen. Danach werden exotherme, insbesondere heterogene Gasreaktionen. z. B. die Synthese von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffen und Kohlenwasserstoffverbindungen od. dgl., mit Hilfe von Katalysatoren, die in Kontaktofen zwischen eng beieinanderliegenden Kühlelementen ruhend angeordnet sind, in der Weise durchgeführt, daß ein solcher Temperaturverlauf emlang des Weges der miteinander reagia renden Gase durch den Katalysator geschaffen wird. daß die Geschwindigkeit des Gasumsatzes und damit die Wärmebelastung der Kühlelemente überall annähernd gleichbleibt. Zu diesem Zweck wird das Kühlmittel, das während seiner Berührung mit den Kühlflächen teilweise verdampft, durch die Kühlmittelraume z. B. mittels einer Pumpe hindurchgeführt, und es werden in den vom Kühlmittel durchflossenen Räumen Strömungswiderstände vorgesehen, die eine gewünschte Druckanderung des hindurchströmenden Kühlmittels bewirken. Da von dem Druck, unter dem das siedende Kuhlmittel steht, seine Siedetemperatur abhängig ist, wird durch die Druckänderung auch eine gleichzeitige Änderung der Kühlmitteltemperatur und damit der Kühlwirkung auf den Katalysator erreicht.
• Im Kühlraum der Kontaktöfen nird ein Druckgefälle des Kühlmittels geschaffen, das die hydrostatische Wirkung erheblich übersteigt Das flüssige Kühlmittel wird außerhalb des Kühlmittelraumes von dem verdampften Anteil getrennt. Der Dampf wird unter Ausnutzung seiner Wärme kondensiert, und es werden Kühlmittel und Kondensat erneut zur Kühlung verwendet.
• Als Strömungswiderstände im Kühlmittelraum können beispielsweise Staubleche, durchlochte Zwischenböden, Füllkörper, Hüllrohre od. dgl. verwendet werden. Als Kühlmittel können Flüssigkeiten tttl. dgl. mit einheitlichem Siedpunkt oder auch Mischungen sich gegenseitig lösender Flüssigkeiten mit verschiedenen Siedepunkten gewählt werden.
• Die Erfindung hat die Anwendung dieses Verfahrens insbesondere unter Verwendung von Flüssigkeiten mit einheitlichem Siedepunkt als Kühlmittel bei den sog. Lamellenöfen zum Gegenstande, die für die katalytische Kohlenoxydhydrierung zu Kohlenwasserstoffen und gegebenenfalls Kohlenwasserstoffverbindungen benutzt werden. Diese Öfen die für die Synthese bei Normaldruck oder bei erhöhtem Druck verwendet werden, sind an sich fiir das Verfahren nicht geeignet lassen sich jedoch entsprechend abändern.
• Die Lamellenöfen bestehen bekanntlich aus einem rechteckigen Behälter. In diesen Behälter sind zahlreiche Bleche vertikal eingesetzt, zwischen denen sich der Katalysator befindet. Durch diese Bleche (Lamellen), die einen Abstand von etwa 9 bis 20 mm voneinander haben, sind zahlreiche Rohre hindurchgeführt, durch die das Kühlwasser fließt. Die rohre münden mit ihren beiden Enden außerhalb des Kontaktofens in horizontale Sammelrohre. Diese Sammelrohre endigen nach beiden Seiten in vertikalen Steigrohren. Die Steigrohre stehen mit einem Dampfsammler derart in Verbindung, daß ein ständiger Kreislauf des Wassers durch die Rohre stattfindet. Zweckmäßig erhalten die Rohre Schalngenform. Das Reaktionsgas wird in Richtung von oben nach unten durch den Katalysator geleitet.
• Erfindungsgemäß werden in den Steigrohren zweckmäßig regelbare Strömungswiderstände angeordnet. Dadurch wird erreicht, daß der Druck des hindurchgeführten Kühlmittels in den durch die einzelnen Strömungswiderstände geschaffenen übereinanderliegenden Abteilungen der Kühlrohre verschieden wird. Damit ändert sich der Siedepunkt des Kühlmittels, und da das Kühlmittel in den Siederohren teilweise verdampft, auch die Temperatur des Kühlmittels in den einzelnen Abteilungen.
• Da mit der Temperatur des Kühlmittels bei sonst gleichen Betriebsverhältnissen die Temperaturen des Kontaktes und auch die l<caktionstentperatur sich ändert, gelingt es, durch die Erfindung itt den übereinanderliegenden Kühlrohrabteilungen der Lamellenöfen verschiedene Reaktionstemperaturen einzustellen, und die Reaktionsgeschwindigkeit der umzusetzenden Gase in den einzelnen Abteilungen in geeigneter Weise zu beeinflussen. Beispielsweise kann die Umsetzung von Kohlenoxyd und Wasserstoff, z. B. zu Methan, zu höheren Kohlenwasserstoffen oder zu Kohlenwasserstoffen und Kohlenwasserstoffverbindungen, erfindungsgemäß so durchgeführt werden, daß an der Gaseintrittsseite im Katalysator eine niedrigere Temperatur herrscht als an der Gasaustrittsseite und die Reaktionstemperatur vom Gaseintritt zum Gasaustritt gleichmäßig oder absatzweise nach gegebenen Richtlinien sich ändert. Auf diese Weise kann z. B. erreicht werden. daß der Gasumsatz auf dem Wege des Gases durch den Kontakt überall gleichbleibt oder sich nur wenig oder in gewünschtem Sinne ändert und daß durch die Temperaturerhöhung, die das Reaktionsgas auf seinem Wege durch den Katalysator infolge der zunchmenden Kühltemperatur erfährt, das Nachlassen der Reaktionsgeschwindigkeit ausgeglichen wird, das durch die Abnahme der Kohlenoxyd- und Wasserstoffkonzentration im Gase entsprechend dem Fortschritt der Reaktion eintritt.
• Eine für das Verfahren gemaß der Erfindung geeignete Vorrichtung ist in der Zeichnung beispielsweise und schematisch dargestellt.
• Abb. 1 zeigt einen Aufriß.
• Abb. 2 einen horizontalen Schnitt und Abb. 3 eine Draufsicht eines derartigen Kontaktofens.
• In dem Gehäuse 1 befinden sich eine Anzahl aufrecht angeordneter Bleche 3, zwischen denen der Katalysator ruht, Senkrecht zu den Blechen liegen die Kühlrohre 2, durch die Wasser unter Druck geleitet wird. Die Warme, die bei der Reaktion entsteht, wird von den Gasen und dem Katalysator an die Kühlrohre und die Bleche unmittelbar und von den Blechen an die Rohre übertragen, in denen sie zur Erzeugung von Dampf aus dem Kühlwasser verbraucht wird. Die Rohre haben Schlangenform und sind in mehreren Gruppen übereinander angeordnet. In der Zeichnung sind der Einfachheit halber nur drei Gruppen dargestellt. Die einen, tieferen Enden der Schlangenrohre 2 sind an horizontale Verteilerrohre 4 und ihre anderen Enden an ebenfalls horizontale Sammelrohre 5 gruppenweise angeschlossen. Die Zahl der Rohrgruppen kann beliebig groß sein. Die Verteilerrohre 4 stehen an beiden Enden mit senkrechten Steigrohren 6 in Verbindung, und die Sammelrohre 5 in gleicher Weise mit Steigrohren 7 Von den Steigrohren 7 führen Rohre 8 zu einem Dampfsammler 9. Aus diesem fließt durch die Falleitung 10 das Kuhlwasser der Kreislaufpumpe 11 zu, die es durch die Druckleitung 12 wieder in das Kühlsystem des Kontaktofens fordert. Die Kühlflussigkeit wird in den Dampfsammler 9 durch die Leitung 13 eingespeist, der Kühlmitteldampf verlaßt ihn durch die Leitungen 14 und 15, ein Sicherheitsventil 16, ein Niveaurohr 17 sowie ein Schlammablaß 18 sind Zusatzeinrichtungen des Dampfsammlers. Die Reaktionsgase strömen bei 19 in den Kontaktofen ein und verlassen ihn bei 20. Das Kühlwasser kann statt aus dem Dampfsammler 9 der Pumpe 11 ständig frisch zugeführt werden, etwa in dem Maße, wie es im Kühlsystem verdampft wird. Die Fallleitung 10 ist dann überflüssig. Sie kann aber auch beibehalten werden. z. B. für den Fall, daß kreisendes Kühlwasser aus dem Dampfsammler 9 zur Pumpe 11 zurückgegeben und zusammen mit frischem Kühlwasser in das Kuhlsystem geleitet werden soll. Statt Kuhlwasser konnen auch andere geeignete Flüssigkeiten, vorzugsweise solche mit einheitlichem Siedepunkt, verwendet werden. Die Steigrohre 6 und 7 sind durch Strömungswiderstande 21 und 22 unterteilt, und zwar in allen vier dargestellten Steigrohren zwischen den Kühlrohrgruppen 2. Fur die Aufteilung der gesamten Kühlfläche auf z. B. drei Kühlrohrgruppen 2a, 2b und 2c sind Drosselscheiben 21a und 21b auf der Kühlmitteleintrittsseite und Drosselscheiben 22a und 22b auf der Austrittsseite schematisch angedeutet. An Stelle solcher oder ahnlicher unveranderlicher Stromungswiderstande können auch Regelorgane, z. B. Ventile, vorgesehen sein, wobei die Steigrohre emsprechend unterteilt und die Unterteilungen durch diese Regelorgane miteinander verbunden werden.
• Mit Hilfe der Drosselvorrichtungen 21 und 22 wird der Druck im Kühlrohrsystem in der Weise abgestuft, daß in der Kühlrohrgruppe 2a ein höherer Druck als in der Gruppe 2b und in dieser wiederum ein höherer Druck als in Gruppe 2c herrscht, und gleichzeitig wird die umlaufende Kühlmittelmenge auf die Kuhlrohrgruppen damit verteilt. Von den Thermometern 23 werden die Siedetemperaturen des Kühlmittels angezeigt, die durch den Druck in den einzelnen Kühlrohrgruppen sich gemaß der bekannten Abhangigkeit der Siedetemperatur vom Druck ergeben.
• Soll ein Kontaktofen beispielsweise mit Kontakttemperaturen betrieben werden, die von 190 auf der Gaschtrittsseite auf 210 nach der Gasaustrittsseite hin ansteigen, so gehoren dazu bei Verwendung von Wasser als Kuhlmittel Überdrücke im Kuhlwasserraum von etwa 12 atü in den Kühlrohren der obersten Gruppe und etwa 18 atü in den Kühlrohren der untersten Gruppe, während in den dazwischenliegenden Kühlrohrgruppen entsprechend differenzierte Drucke aufrechterhalten werden.
• Man kann auch statt der Steigrohre 7 die Sammelrohre 5 jeder Kühlrohrgruppe für sich bis in den Dampfsmamler 9 führen und, wie beschrieben, mit Drossel@ oder Regelwiderstanden austrusten. Das gesamte Temperaturniveau im System des Kontaktofens kann durch Änderung der Hohe des Druckes geandert werden, der im Dampfsammler in bekannter Weise durch ein Überströmventil, einen Druckregler oder ähnliche Vorrichtungen auf bestimmte Werte eingestellt und aufrechterhalten wird.
• Das neue Verfahren laßt sich bei allen Kontaktöfen sinngemaß anwenden, bei denen die Reaktionswärme durch Metallflachen abgeführt wird, die von einem siedenden Kühlmittel beaufschlagt werden, und es gestattet z. B. eine solche Temperaturverteilung im Kontaktraum mit Hilfe der Abhängigkeit der Siedetemperaturen vom Druck des Kühlmittels einzustellen, die einen überall im Kontaktraum möglichst gleichbleibenden Umsatz der Reaktionsteilnehmer und damit größte Ofenleistung bei bester Ausnutzung des Kontaktvolumens ergibt.
• Das neue Verfahren kann zur verbesserten Ausgestaltung zahlreicher an sich bekannter technischer Prozesse dienen, bei denen Gasreaktionen katalytisch durchgeführt werden, so z. B. für die Hydrierung von Kohlenoxyd zu Methan oder höheren Kohlenwasserstoffen und gegebenenfalls Kohlenwasserstoffverbindungen, insbesondere sauerstoffhaltigen, wie Alkoholen. Fettsäuren od. dgl., die katalytische Oxydation von Methanol zu Formaldehyd, von Methan zu Formaldehyd, von Schwefeldioxyd zu Schwefeltrioxyd, von Äthylen zu Äthylenoxyd, ferner bei katalytischen Krack- und Dehydrierungsprozessen. sowie bei Hydratationsprozessen, wie z. B. die Herstellung von Äthanol aus Äthylen od. dgl.

Claims (5)

1. P A T E N T A N S P R Ü C H E : 1. Verfahren zur Durchführung exothermer katalytischer Gasreaktionen, z. B. der Synthese von Kohlenwasserstoffen und bzw. oder Kohlenwasserstoffverbindungen, insbesondere sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffverbindungen, aus CO und H2, in Kontaktöfen, in denen der Katalysator zwischen eng beieinanderliegenden Kühlelementen ruht, die durch strömende, siedende Flüssigkeiten auf geeigneter Temperatur gehalten werden nach Patent 838 598, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kühlelemente durchdringende Kühlrohrsystem in mehrele in Richtung des Gasweges durch den Katalysator aufeinanderfolgende Gruppen unterteilt wird, durch die Kühlmittelströme geführt werden, und daß in den einzelnen Gruppen verschiedene, insbesondere vom Gaseintritt zum Gasaustritt ansteigende Temperaturen im wesentlichen dadurch geschaffen werden, daß das siedende Kühlmittel in den verschiedenen Kühlrohrgruppen unter verschiedenen Drucken gehalten wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem mit Drosselorganen ausgestattet ist, durch die die geeigneten Drucke in den verschiedenen Kühlrohrgruppen eingestellt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kontaktöfen verwendet werden, in denen der Katalysator zwischen einer großen Zahl von aufrecht angeordneten Blechen ruht, und das Kühlmittel durch Rohrgruppen gefördert wird, die senkrecht durch die Bleche geführt sind.
4. 4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3 mit übereinanderliegenden Kühlrohrgruppen, in die das Kühl- mittel aus Steigrohren gelangt und aus denen es, ganz oder teilweise verdampft, durch Steigrohre abgeführt wird, gekennzeichnet durch ein Förderorgan (11') für das Kühlmittel und durch Drosselorgane (21a, 21b usw und 22a, 22b usw.), die in den Steigrohren zwischen den Zu- und Ableitungen zu den Kühlrohrgruppen vorgeschen sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Rückführung (10) für das Kühlmittel von einem Dampfsammler (9) zum Förderorgan (11).