DD263461A1 - METHOD AND DEVICE FOR TEMPERATURE-RELATED FLOW PROCESSING IN GAS-FLUID REACTORS - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die technische Reaktionsfuehrung in fluiden Phasen, insbesondere fuer Synthesegasumsetzungen, die Biotechnologie und die Umweltschutztechnik. Ziel und Aufgabe ist die Schaffung einer temperaturabhaengigen internen Steuerung fuer stroemungsleitende Reaktoreinbauten. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass die Leiteinrichtungen biegsam flexible, konvex oder konkav gegen Vorzugsrichtungen gekruemmte Waende darstellen und vorzugsweise aus einem Bimetall bestehen. Fig. 3 bThe invention relates to the technical Reaktionsfuehrung in fluid phases, in particular for synthesis gas conversions, biotechnology and environmental protection technology. The aim and task is to create a temperature-dependent internal control for flow-conducting reactor internals. According to the invention, this is achieved in that the guide devices are flexibly flexible, convex or concave walls curved against preferred directions and preferably consist of a bimetal. Fig. 3 b

Description

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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit einer zugehörigen Einrichtung zur Strömungsführung in Gas-Flüssigkeitsreaktoren mit inneren Leiteinrichtungen, die für eine prozeßoptimale Strömungsführung vor ellem die kontinuierliche flüssige Phase beeinflussen und die sich dabei in Abhängigkeit von der Temperatur selbst strömungsgünstig einstellen. Anwendungsgebiet sind vorwiegend Blasensäulen für die Kontaktierung fluider Medien, auch in Suspensionen und Wechselwirkung mit festen Partikeln. Zu den bevorzugten Einsatzgebieten der Erfindung gehört die Umsetzung von Synthesegas zu Olefinen, Aromaten und Kraftstoff komponenten, aber auch Hydrierungen und die Hydroraffination öliger Produkte sowie andere Reaktionen, die in fluiden Phasen und en festen Partikeln ablaufen und von denen mindestens eine Komponente gasförmig ist. Andere Einsatzgebiete betreffen die Biotechnologie, die pharmazeutische und Lebensmittelindustrie sowie die Umweltschutztechnik.The invention relates to a method with an associated device for flow guidance in gas-liquid reactors with inner guide means, which influence the continuous liquid phase for a process-optimal flow guidance before ellem and thereby adjust themselves in terms of flow in function of the temperature itself. Applications are mainly bubble columns for the contacting of fluid media, even in suspensions and interaction with solid particles. Among the preferred uses of the invention, the reaction of synthesis gas to olefins, aromatics and fuel components, but also hydrogenations and the hydrorefining of oily products and other reactions that occur in fluid phases and en solid particles and of which at least one component is gaseous. Other areas of application include biotechnology, the pharmaceutical and food industry and environmental protection technology.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Es ist bekannt, daß Reaktionsabläufe in zwei- bzw. dreiphasigen fluiden Sys'emen wesentlich von vorgelagerten hydrodynamischen Schritten beeinflußt werden, die bezüglich ihrer großräumigen Mischwirkung zwei Grenzzuständen zugeordnet werden können: der idealen Vermischung und der idealen Propfenströmung. Es sind eine Vielzahl von technischen Lösungen bekannt, die eine optimale Anpassung der hydrodynamisch bestimmten Verweilzeit an die Zeit eines praktisch vollständigen Reaktionsablaufes zum Ziel haben, um günstige Raum-Zeit-Ausbeuten der Reaktoren zu erreichen. Diese betreffen für Blasensäulenreaktoren integrierte Leiteinrichtungen, die entweder einer Schlaufenführung der Flüssigkeit und auch des Gases (Rezirkulationskonturen) oder einer Abtrennung benachbarter Stromröhren voneinander durch Kammerung dienen. Prozeßoptimale hydrodynamische Zwischenzustände werden dadurch eingestellt, daß auf geeignete Weise, meist im Apparat räumlich voneinander getrennt und oft in der Hauptströmungsrichtung aufeinanderfolgend, sowohl Vorrichtungen zur Erzeugung von Rezirkulationsströmungen als auch von Propfenströmungen anteilig miteinander kombiniert werden. Beispiele werden in den Schritten DE 05-2847443; DE-OS-3339570 und SU-790416 und in den Materialien zur „achema 1985", insbesondere zur Biotechnologie, angeführt.It is known that reaction processes in two- or three-phase fluid systems are essentially influenced by upstream hydrodynamic steps, which can be assigned to two limit states with regard to their large-scale mixing action: the ideal mixing and the ideal plug flow. A large number of technical solutions are known which have the aim of optimally adapting the hydrodynamically determined residence time to the time of a virtually complete reaction sequence in order to achieve favorable space-time yields of the reactors. These relate to bubble column reactors integrated guide devices, which serve either a loop guidance of the liquid and the gas (recirculation contours) or a separation of adjacent flow tubes from each other by chambering. Process-optimal intermediate hydrodynamic states are set by proportionally combining both devices for generating recirculation flows and plug streams in a suitable manner, usually spatially separated from one another in the apparatus and often in succession in the main flow direction. Examples are given in steps DE 05-2847443; DE-OS-3339570 and SU-790416 and in the materials for "achema 1985", in particular for biotechnology listed.

Allen bisherigen Lösungen haftet gemeinsam nachteilig an, daß die vorgegebene, fest installierte geometrische Anordnung der Leiteinrichtungen bestenfalls in schmalen Betriebsbereichen der Reaktoren optimal wirkt. Zur besseren Ausnutzung von sich stets einstellenden Teillast- oder Überlastzuständen müssen deshalb zusätzliche Meß-, Stell- und Regelstrecken zur Erzielung günstiger Fahrweisen zugeordnet werden, die den Prozeß verkomplizieren. Diesem Vorgang liegt zugrunde, daß bei betriebsbedingten Änderungen der Phasendurchsätze prinzipiell das gesamte Spektrum hydrodynamischer und damit auch ungünstiger Übergangszustände durchlaufen wird.All previous solutions adhere together disadvantageous in that the predetermined, fixed geometric arrangement of the guide devices optimally acts optimally in narrow operating ranges of the reactors. For better utilization of always adjusting partial load or overload conditions, therefore, additional measuring, actuating and control paths must be assigned to achieve favorable modes of operation, which complicate the process. This process is based on the fact that, in the case of operational changes in the phase throughputs, in principle the entire spectrum of hydrodynamic and therefore also unfavorable transition states is passed through.

Andererseits kann es zweckmäßig sein, Reaktoren insgesamt (in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern) in verschiedenen Zuständen zu betreihen. Eine Vielzahl von technisch bedeutenden exothermen Reaktionen laufen z.B. mit bestimmten Induktionszeiten ai. In diesem Falle ist bei den auftretenden niedrigen Temperaturen eine Rezirkulation noch nicht umgesetzter ReaKtionskomponer ten sinnvoll. Be; entv\ ickeltem Reaktionsverlauf entstehen jedoch oft hohe Temperaturen bei Stoffumsätzen in wesentlich kürzeren Zeitabschnitten. Hier ist zur Erhöhung der Raum-Zeit-Ausbeuie des Reaktors ein Propfenströmungsverhalten anzustreben. Die bisherigen Lösungen der Strömungsumstellung erweif en sich auch für diesen Fall als zu aufwendig und uneffektiv. Aus den bisherigen Darlegungen folgt, daß eine einfache, temperaturabhängige Steuerung der Strömung in Gas-Flüssigkeits-Reaktoren bisher noch nicht gefunden wurde. Als eine naheliegende Lösung wurde lediglich ein Röhrenreaktor für die Gas-Fest-Reaktionsführung an Katalysatoren bekannt (SU-939060), der in den Abstromteilen der Rohre mit Bimstallklappen veisehen ist. Hier wird jedoch lediglich eine yleichförmige Gasverteilung ohne gesteuerte Strömungsstrukturen angestrebt.On the other hand, it may be appropriate to total reactors (depending on other operating parameters) in different states. A variety of technically significant exothermic reactions occur, e.g. with certain induction times ai. In this case, recirculation of unreacted reaction components is useful in the low temperatures that occur. Be; However, as a result of the course of the reaction, high temperatures often occur in substance conversions in much shorter time periods. Here, to increase the space-time Ausbeuie the reactor striving for a plug flow behavior. The current solutions of the flow conversion erall s also too expensive and ineffective for this case. From the foregoing, it follows that a simple, temperature-dependent control of the flow in gas-liquid reactors has not yet been found. As an obvious solution, only a tube reactor for the gas-solid reaction control on catalysts has been known (SU-939060), which is in the Abstromteilen the tubes with Bimstallklappen is seen. Here, however, only a yleichförmige gas distribution without controlled flow structures is sought.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens und einer zugehörigen Einrichtung zur temperaturabhängiyen Steuerung der Strömung zum Zweck der optimalen Anpassung ihrer Kenngrößen an diejenigen des Reaktionsablaufes in Blasensäulenreaktoren.The aim of the invention is the development of a method and an associated device for temperature-dependent control of the flow for the purpose of optimally adapting their characteristics to those of the course of the reaction in bubble column reactors.

! Darlegung des Wesens der Erfindung! Explanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist, strömungsleitende Einbauten in Reaktoren so mit flexiblen Vorrichtungen auszustatten, daß in Abhängigkeit von der Prozeßtemperatur ein gewünschter Strömungszustand selbsttätig einnestelit und einem Reaktionsablauf j vorteilhaft angeglichen wird.The object of the invention is to equip flow-conducting internals in reactors with flexible devices such that depending on the process temperature a desired flow state automatically einnestelit and a reaction sequence is advantageously aligned j.

j Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die strömungsbegrenzonden Wände innerhalb eines Reaktors ihre räumlicheAccording to the invention this is achieved in that the flow-limiting walls within a reactor their spatial

j Orientierung in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Die zugehörige Einrichtung sieht deshalb vor, daß die die Wändej Change orientation depending on the temperature. The associated device therefore provides that the walls

J bildenden Leiteinrichtungen gänzlich oder teilweise aus temperaturabhär.gig-flexiblen Materialion be* ehen. Insbesondere sindJ wholly or partly tempering from J-dependent flexible material ion. In particular are

j diese ein Verbundmaterial mit verschiedenen und stärker ausgeprägtem Ausdehnungsverhalten beido' Schjchten (Bimetall).These are a composite material with different and more pronounced expansion behaviors (Bimetallic).

j Dabei können die Leiteinrichtungen vollständig oder teilw ise aus diesem Material bestehen. So können sie auch in Form vonIn this case, the guide devices can consist completely or partially of this material. So they can also be in the form of

! Laschen auf ein starres Trägermaterial aufgebracht sein, dabei Öffnungen freigebend oder schließend bzw. sich auch endständig! Lugs be applied to a rigid substrate, thereby releasing or closing openings or even terminal

an diesem befinden.located at this.

j Ausführungsbeispielj embodiment

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. In the accompanying drawings show:

Fig. 1: Einen axialsymmetrischen Blasensäulenreaktor,1: an axisymmetric bubble column reactor,

Fig. 2 und 3: zwei Ausführungsformen eines gekammerten Reaktors mit Kanälen rechteckigen Querschnitts.2 and 3 show two embodiments of a chambered reactor with channels of rectangular cross-section.

Die Bezeichnungen a und b der Figuren bestimmen jeweils die Grenzzustände vollständiger Rezirkulation der Flüssigkeit und überwiegende Propfenströmung.The designations a and b of the figures respectively determine the limit states of complete recirculation of the liquid and predominant plug flow.

In einem Reaktormantel, der mit Gaszuführungen 1 und Gasabführungen 2 sowie mit Flüssigkeitszu- und Flüssigkeitsabführungen 3; 4 versehen ist, befinden sich der Gasverteiler 5 und die Leiteinrichtungen 6. Entweder an der Leiteinrichtung 6 odor dem Gasverteiler 5 sind die Laschen 7 und T angebracht. Die Wirkung der Einrichtung ist wie folgt: Der Reaktormantel wird vom Gas (flächig gezeichnete Pfeile) in einer vertikalen Vorzugsrichtung durchströmt und durchdringt innerhalb der Leiteinrichtungen 6 und 6' die flüssige Phase (schwarze Pfeile). Entsprechend den (linU -,befindlichen) Zeichnungen a der Figuren 1 bis 3 wird eine Rezirkulationsströmung dann eingestellt, wenn eine aus biegsamen, zylindermantel-artig-peripher angeordneten Streifen bestehende Leiteinrichtung 6' nach außen konvex aufgehoben ist (Fig. 1) oder die an starren Leiteinrichtungen 6 angeordneten Laschen 7 (Fig. 2 und 3) innerhalb vertikaler Ebenen verlaufen. Die Zeichnungen b zeigen die Einrichtung in einem zweiten SUömungszustand, der gemäß Fig. 1 und 2 weitgehend einer Propfenströmung, gemäß Fig. 3 einer mit Querströmung überlagerten Propfenströmung entspricht. Der Gasvertei'er 5 kann mit zusätzlichen Laschen T zum Abbau einer Restzirkulation durch zusätzlichen Gasauftrieb ausgerüstet sein. In jedem Falle erfolgt die Steuerungsfunktion durch Temperatureinflüsse, entweder für die gesamte Leiteinrichtung 6' (Fig. 1) und/oder durch die Bimetall-Laschen T (Fig. 1) bzw. 7 (Fig. 2 und 3).In a reactor jacket, the gas supply lines 1 and 2 Gasabführungen and with liquid feed and liquid discharges 3; 4, there are the gas distributor 5 and the guide devices 6. Either on the guide 6 odor the gas distributor 5, the tabs 7 and T are attached. The effect of the device is as follows: The reactor jacket is traversed by the gas (area arrows) in a vertical direction of preference and penetrates within the guide means 6 and 6 ', the liquid phase (black arrows). Corresponding to the (linU -, located) drawings a of Figures 1 to 3, a recirculation flow is then set when a deflection of flexible, cylinder jacket-like peripherally arranged strip guide 6 'outwardly convex is canceled (Fig. 1) or at rigid guide means 6 arranged tabs 7 (Figures 2 and 3) extend within vertical planes. The drawings b show the device in a second flow state, which, according to FIGS. 1 and 2, largely corresponds to a plug flow, according to FIG. 3, to a plug stream superimposed with transverse flow. The Gasvertei'er 5 may be equipped with additional tabs T to reduce a residual circulation by additional gas buoyancy. In any case, the control function is effected by temperature influences, either for the entire guide 6 '(FIG. 1) and / or through the bimetallic tabs T (FIG. 1) and 7 (FIGS. 2 and 3).

Abänderungen der Einrichtung ergeben sich dadurch, daß mehrere Zuführungen 1 und 3, Abfuhrungen 2 und 4, Gasverteiler 5 und Leiteinrichtungen 6 und 6' vorgesehen sind.Modifications of the device result from the fact that several feeds 1 and 3, discharges 2 and 4, gas distributor 5 and guide devices 6 and 6 'are provided.

Claims (4)

1. Verfahren zur temperaturabhängige!! Strömungsführung in Gas-Flüssigkeits-Reaktoren, in denen die Flüssigkeit die kontinuierliche Phase bildet, die Gasphase vertikale Vorcugsrichtungen einnimmt und die zur Realisierung zweckdienlicher Strömungszustände räumlich unterteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilungen der Strömung durch bedingt variable Begrenzungen gebildet werden, die in Abhängigkeit von derTemperatur eine verschiedene räumliche Orientierung einnehmen.1. Method for temperature-dependent !! Flow guidance in gas-liquid reactors, in which the liquid forms the continuous phase, the gas phase takes vertical Vorcugsrichtungen and which are spatially divided to realize appropriate flow states, characterized in that the subdivisions of the flow are formed by conditionally variable boundaries, depending on of the temperature take a different spatial orientation. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahre· is nach Anspruch 1, bestehend aus einem Reaktormantel, der mit Gaszuführungen (1), Gasabführungen (2), Flüssigkeitszuführungen (3), Flüssigkeitsabführungen (4), Gasverteilern (5) und Leiteinrichtungen (6 oder 6') versehen ist, wobei die Leiteinrichtungen (6 oder 6') ganz oder teilweise biegsam-flexible, konvex oder konkav gegen die Vorzugsrichtungen gekrümmte Wände darstellen.2. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, comprising a reactor jacket provided with gas feeds (1), gas outlets (2), liquid feeds (3), liquid discharges (4), gas distributors (5) and guide devices (6 or 6 ') is provided, wherein the guide means (6 or 6') are fully or partially flexible-flexible, convex or concave curved against the preferred directions walls. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände oder Teile derselben vorzugsweise aus einem Bimetall bestehen und gänzlich oder zumindest teilweise in Form von Laschen (7) eine verschiedene Orientierung besitzen.3. Device according to claim 2, characterized in that the walls or parts thereof preferably consist of a bimetal and wholly or at least partially in the form of tabs (7) have a different orientation. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasverteiler (5) zusätzliche Laschen (7') aufweist.4. Device according to claim 2 and 3, characterized in that the gas distributor (5) has additional tabs (7 ').