DE2945353A1

DE2945353A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchfuehrung stark exothermer reaktionen

Info

Publication number: DE2945353A1
Application number: DE19792945353
Authority: DE
Inventors: Ullrich Dr. 8023 Pullach Hildebrandt; Berndt Dr. 8000 München Hörner; Udo Dipl.-Ing. Lang; Walter 8000 München Schramm
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1979-11-09
Filing date: 1979-11-09
Publication date: 1981-05-21
Also published as: US4402822A

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(H 1163) H 79/87

Bü/fl 7.11.79

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung 3tark exothermer Reaktionen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung stark exothermer Reaktionen, bei dem eine Katalysatorteilchen und Reaktionsteilnehmer enthaltende Suspension auf Verfahrensdruck gepumpt, auf Reaktionstemperatur erhitzt und umgesetzt wird.

Chemische Reaktionen dieser Art, beispielsweise die Kohlehydrierung, werden üblicherweise dadurch eingeleitet, daß die verdichtete Suspension in mehreren indirekten Wärmetauschern erhitzt und dann in einen Reaktionsbehälter eingespeist wird, in dem dann die Umsetzung erfolgt. Gegebenenfalls zusätzlich erforderliche Reaktionsteilnehmer, beispielsweise Wasserstoff im Fall der Kohlehydrierung, können der Suspension dabei an verschiedenen Stellen zugesetzt werden.

Die Verwendung mehrer indirekter Wärmetauscher zur Erhitzung der Suspension 1st jedoch in doppelter Hinsicht von Nachteil. Einerseits stellen die Wärmetauscher relativ aufwendige und teure Bauteile dar und zum anderen erfolgt in ihnen ein Druckverlust, der sich insbesondere bei der

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Verarbeitung hochviskoser Einsätze stark bemerkbar macht und einen erhöhten Verdichtungsaufwand erfordert.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eh Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine besonders einfache und effektive Vorwärmung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Suspension über eine im Reaktionsbehälter befindliche Vorwärmzone in eine Reaktionszone geführt und durch direkten Wärmetausch mit Reaktionsprodukten erhitzt wird.

Der ßrfindungsgemäß vorgeschlagene direkte Wärmetausch zwischen Reaktionsprodukten und der Suspension wird in einem in den Reaktionsbehälter integrierten Abschnitt durchgeführt.

Dies erweist sich hinsichtlich der für eine entsprechende Anlage erforderlichen Investitionskosten als günstig, da die für eine Vorwärmung üblichen, insbesondere bei Hochdruckverfahren aufwendigen indirekten Wärmetauscher entfallen und statt dessen lediglich in einem Eintrittsabschnitt des Reaktionsbehälters ein direkter Kontakt der Reaktionsprodukte mit der eintretenden Suspension herbeigeführt zu werden braucht. Die dadurch bedingte Vergrößerung des Reaktionsbehälters ist Jedoch mit relativ geringem Aufwand zu verwirklichen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist darüber hinaus auch im Betrieb günstiger als übliche Verfahren, da durch den direkten Wärmetausch einerseits eine besonders effektive Nutzung der in den Reaktionsprodukten enthaltenen Abhitze möglich ist und andererseits auch der Druckabfall in der Suspension wesentlich geringer ist als bei herkömmlichen Verfahren mit relativ kleinen Strömungsquerschnitten für die Suspension in den indirekten Wärmetauschern.

In einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet sich die Reaktionszone unterhalb der Vorwärmzone. Die Suspension, die in einem solchen Fall in den

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1 oberen Bereich des Reaktionsbehälters eingeführt wird, tritt dabei auf ihrem Weg in die tieferliegende Reaktionszone in direkten Kontakt mit leichten, insbesondere bei Reaktionstemperatur gasförmigen Reaktionsprodukten und wird dabei auf Reaktionstemperatur aufgeheizt. Gasförmige Reaktionsprodukte können in einem solchen Fall, nachdem ■ sie die Suspension.im Gegenstrom durchquert haben, einfach aus dem oberen Bereich des Reaktionsbehälters abgezogen werden. Leichte flüssige Produkte oder in der Vorwärmzone kondensierte gasförmige Produkte verbleiben dagegen in der Suspension und können entweder mit ihr in die Reaktionszone zurückgeführt oder beispielsweise in einem Dekanter abgetrennt werden.

Die aufgrund der exothermen Reaktion in der Reaktionszone rasch ansteigende Temperatur kann beim erfindungsgemäßen Verfahren durch Einführung eines Kaltgases an geeigneten Stellen geregelt werden. Als Kaltgas kann dabei sowohl ein an der Reaktion beteiligtes als auch ein inertes Gas herangezogen werden.

In einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Zusammensetzung der nach dem direkten Wärmetausch mit der Suspension gasförmig anfallenden Reaktionsprodukte durch eine Kühlung geregelt werden. Durch Vorgabe einer bestimmten Austrittstemperatur der gasförmigen Reaktionsprodukte aus dem Reaktionsbehälter kann nämlich die Kondensation der im gasförmigen Produkt enthaltenen relativ schweren Komponenten beeinflußt werden. Diese werden beim Auskondensieren erneut mit der Suspension in die Reaktionszone geführt, dort zu leichteren Komponenten umgesetzt und tragen damit zur Erhöhung der Ausbeute an leichten Verfahrensprodukten bei.

Das erfindungsgemäße- Verfahren wird bevorzugt in einem

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Reaktionsbehälter durchgeführt, der aus einem vertikal angeordneten Druckbehälter besteht und im unteren Bereich eine Reaktionszone sowie darüber eine Vorwärmzone und einen Dampfraum für gasförmige Reaktionsprodukte aufweist. Neben der Zuführungsleitung für die Suspension und den Abzugsleitungen für gasförmige Produkte sowie für flüssige Prodikte und Rückstände enthält der Reaktionsbehälter eine Einrichtung, die gewährleistet, daß die Suspension über den gesamten Querschnitt des Behälters gleichmäßig aufgegeben wird. Die Art dieser Einrichtung hängt im wesentlichen

der

von Viskosität des Einsatzes ab. Im Fall einer Kohlehydrierung, bei der der Einsatz ein hochviskoses Gemisch aus gemahlener Kohle, Katalysatorteilchen und einem Anreiböl ist, läßt sich eine gleichmäßige Verteilung beispielsweise durch die Verwendung von Spaltsieben erreichen. Drbei kann es günstig sein, mehrere, gegeneinander versetzte Spaltsiebe übereinander vorzusehen, um eine besonders gleichmäßige Verteilung zu erreichen.

in einer besonders einfachen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktionsbehälters befindet sich die Vorwärmzone unmittelbar oberhalb der Reaktionszone und geht direkt in sie über. In diesem Fall sind neben dem Einbau, der die gleichmäßige Verteilung der Suspension sicherstellen soll, keine weiteren baulichen Maßnahmen im Reaktionsbehälter erforderlich, wenn man von einer in vielen Fällen ohnehin benötigten Kaltgaseinspeisung in die Reaktionszone sowie eine gegebenenfalls erforderliche Kühlschlange im Dampfraum absieht.

Ein Reaktor dieser Bauart wird im Gegenstrom betrieben, d.h., die dem Behälter in einem oberen Bereich aufgegebene Suspension gelangt durch eine abwärts gerichtete Bewegung in die Reaktionszone, während leichte Reaktionsprodukte und gegebenenfalls eingeführtes Kaltgas aufgrund der Dichte-

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unterschiede sich in entgegengesetzter Richtung bewegen und im oberen Dampfraum des Behälters sammeln. Der Gegenstrombetrieb dieees..Reaktionsbehälters führt zur Ausbildung von Turbulenzen, so daß ein intensiver Wärmeaustausch zwischen leichten Reaktionsprodukten und der Suspension gewährleistet ist.

In manchen Fällen können derartige Turbulenzen dazu führen, daß eine Reaktion nicht mehr homogen abläuft, was insbesondere bei einem großen freien Querschnitt im Reaktionsbehälter der Fall sein kann. Es ist deshalb in einem solchen Fall wünschenswert, entweder den Reaktionsquerschnitt durch entsprechende Einbauten zu beschränken oder auf einen Reaktor zurückzugreifen, bei dem die Turbulenzen nur in räum-

Ί5 Hch eng begrenzten Bereichen auftreten oder der im Gleichstrom betrieben wird.

Eine derartige Verfahrensweise ist in einem anderen erfindungsgemäßen Reaktionsbehälter, bei dem die Vorwärmzone und die Reaktionszone durch einen zweiten Dampfraum voneinander getrennt sind, möglich. Ein derartiger Reaktor unterscheidet sich konstruktiv von dem bereits beschriebenen Behälter im wesentlichen dadurch, daß ein zusätzlicher Einbau vorgesehen ist, der die Vorwärmzone nach unten begrenzt und einen räumlichen Abstand zur darunterliegenden Reaktionszone herstellt. Dieser Einbau ist dabei so auszugestalten, daß sowohl leichte, gasförmige Produkte, die in der Reaktionszone gebildet werden, durch ihn hindurchgefUhrt und in Wärmetausch mit der zu erhitzenden Suspension treten können als auch die vorgewärmte Suspension abgezogen und in die Reaktionszone eingeführt werden kann.

In einer günstigen Weiterbildung dieses Reaktortyps wird in der Reaktionszone ein Gleichstrom zwischen der Suspension und den leichten Reaktionsprodukten bzw. einzuspeisen-

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dem Kaltgas dadurch herbeigeführt, daß die aus der Vorwärmzone austretende Suspension Über eine Leitung durch die Reaktionszone hindurchgeführt und erst im unteren Bereich der Reaktionsζone in diese eingeleitet wird. In einem derart ausgestalteten Reaktor findet also eine einheitliche Aufwärtsbewegung aller eingeführten bzw. neu gebildeten Komponenten statt. Demzufolge ist es auch erforderlich, daß die Abzugsleitung für flüssige Produkte und Rückstände aus dem oberen Bereich der Reaktionszone herausführt. Eine einfache konstruktive Lösung dieses Abzugs besteht darin, daß die Reaktionezone durch einen überlauf, von dem die Abzugsleitung ausgeht, nach oben begrenzt ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand zweier AusfUhrungsbeiepiele, die in den Figuren schematisch dargestellt sind, erläutert. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Reaktionsbehälter, die bei einer Kohlehydrierung eingesetzt werden können. 20

Es zeigen:

Figur 1 einen Reaktionsbehälter, der im Gegenstrom betrieben wird und dessen Reaktionszone unmittelbar an die Vorwärmzone anschließt.und Figur 2 einen Reaktionsbehälter, bei dem die Vorwärmzone räumlich von der Reaktionszone getrennt ist und in dem die Reaktion im Gleichstrombetrieb erfolgt..

Dem in Figur 1 dargestellten Reaktionsbehälter wird über Leitung 1 die umzusetzende Suspension zugeführt. Sie besteht aus feingemahlenen Kohleteilchen, die nach ihrer Trocknung mit Katalysatorteilchen vermischt und anschließend mit einem Anreiböl zu einem pumpfähigen Brei aufgearbeitet und auf hohen Druck verdichtet wurde. Das Anreiböl, das ge-

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wohnlich eine aus den flüssigen Verfahrensprodukten abgetrennte Fraktion ist, wird der getrockneten Kohle, die beispielsweise eine Temperatur von etwa 60°C aufweist, mit einer Temperatur von ungefähr 250° zugeführt. Die Temperatur der Suspension vor Eintritt in den Reaktionsbehälter liegt ungefähr bei 170⁰C. Der Verfahrensdruck liegt üblicherweise im Bereich zwischen 150 und 300 bar, beispielsweise bei 250 bar.

Die Suspension wird oberhalb einer Verteilereinrichtung 2 in den Druckbehälter eingeleitet. Diese Verteilereinrichtung, die beispielsweise aus zwei übereinander angeordneten Spaltsieben besteht, deren Spaltrichtungen gegeneinander versetzt sind, bewirkt einen gleichmäßigen Eintritt der Suspension über den gesamten Reaktorquerschnitt. Dabei bildet sich über den Spaltsieben 2 eine Schicht 3 der Suspension.aus, die bereits von aufsteigenden gasförmigen Reaktionsprodukten sowie überschüssigem Wasserstoff, der sich im Dampfraum 4 sammelt, vorgewärmt D¥bei treten bereits in begrenztem Ausmaß Reaktionen ein, wodurch die in der Suspension in fester Form vorliegenden Kohleteilchen zum großen Teil schon zu flüssigen Produkten umgesetzt werden, bevor sie durch die Spaltsiebe 2 hindurchtreten. Die eigentliche Vorwärmzone befindet sich unterhalb der Spaltsiebe 2. In dieser Zone erfolgt nicht nur eine Anwärmung der Suspension, sondern darüber hinaus auch eine Verdünnung mit relativ schweren Reaktionsprodukten, die sich beim Abkühlen gegen die herabsinkende Suspension wieder verflüssigen und gemeinsam mit der Suspension wieder in die Reaktionszone zurückgeführt und dort zu leichteren Produkten umgesetzt werden. Im unteren Bereich des Druckbehälters setzt die exotherme Reaktion der Kohlehydrierung ein, was mit einem raschen Temperaturanst ieg der Suspension verbunden ist. Um die Reaktion unter Kontrolle zu halten, ist es deshalb erforderlich, an geeigneten Stellen 5, 6 ein Kaltgas einzuspeisen, um die Reaktionstemperatur beispielsweise im Bereich von 430 bis 470°C zu halten. Als

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Kaltgas kann dabei vorzugsweise der für die Hydrierung benötigte Wasserstoff oder ein an Wasserstoff und Methan reicher Gasstrom, der aus den gasförmigen Verfahrensprodukten abgetrennt wurde, herangezogen werden. Eine übliche KaItgastemperatur bei einer derartigen Verfahrensweise liegt bei ungefähr 150⁰C. Da die Kohlehydrierung üblicherweise ohnehin bei Wasserstoffüberschuß durchgeführt wird, kann durch Regelung der Kaltgaseinspeisung auf einfache Art eine wirksame Temperaturregelung in der Reaktionszone durchgeführt werden.

Alle während der Reaktion gebildeten Produkte, die beim hohen Verfahrensdruck unter der Reaktionstemperatur von 430 bis 470⁰C sieden, fallen als gasförmige Produkte an und bilden demzufolge den Gegenstrom, der an die Oberfläche der Suspension aufsteigt und sich im Dampfraum 4 sammelt, soweit er nicht bei den in höheren Bereichen vorliegenden tieferen Temperaturen wieder kondensiert. Die bei der Reaktionstemperatür flüssig verbleibenden Produkte sowie die Katalysatorteilchen sammeln sich dagegen am Boden des Behälters und werden von dort über eine Leitung 7 abgezogen und in üblicher Welse in einer Trennanlage aufgearbeitet. Dfbei kann beispielsweise durch eine Vakuumdestillation auch eine Fraktion gewonnen werden, die als Anreiböl im Verfahren verwendet wird.

Die gasförmigen Verfahrensprodukte, die sich im Dampfraum 4 sammeln, werden durch ein Filter 8, beispielsweise ein Gestrick, geführt, um zu verhindern, daß Flüssigkeitsteilchen mitgerissen werden und werden dann über Leitung 9 abgezogen. Dieses Gas, das üblicherweise Temperaturen zwischen 350 und 400°C aufweist, enthält alle bei der Hydrierung gewonnen leichten Kohlenwasserstoffe sowie im Benzin- und Gasölbereich siedende Komponenten und darüber hinaus den überschüssigen Hydrierwasserstoff. Diese Kompo-

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nenten können anschließend in einer üblichen Gaszerlegung einzeln gewonnen werden.

Zur Regelung der Zusammensetzung der gasförmigen Produkte ist im Dampfraum 4 eine Kühlschlange 10 vorgesehen, durch die die Temperatur der austretenden gasförmigen Produkte geregelt werden kann.

Der in der Figur 2 dargestellte Reaktionsbehälter unterscheidet sich von dem vorher beschriebenen im wesentlichen dadurch, daß eine räumliche Trennung zwischen einer Vorwärmzone 11 und der Reaktionszone 12 besteht. Zwischen diesen beiden Zonen ist ein weiterer Dampfraum 13 angeordnet.

Die Suspension wird, nach dem sie durch die Ventilboden 2 hindurchgetreten und im direkten Wärmetausch mit gasförmigen Reaktionsprodukten erhitzt wurde, von einem z.B. trichterförmigen Einsatz aufgefangen und über Leitung 15 dünn die Reaktionszone 12 hindurch bis in den unteren Bereich des Behälters geleitet und durchläuft daraufhin die Reaktionszone 12 in einer aufwärts gerichteten Bewegung. An geeigneten Stellen 16, 17 und l8 wird wiederum ein wasserstoffhaltiges Gas eingespeist, um den für die Hydrierung benötigten Wasserstoff bereitzustellen sowie um die Teraperatur in der Reaktionszone zu regeln. Die bei der Reaktionstemperatur gasförmig anfallenden Produkte sammeln sich im Dampfraum 13* der die Punktion eines Heißabscheiders hat, während die flüssigen Produkte sowie Rückstände durch das Überlaufsystem 19 in eine Abzugsleitung 20 gelangen und aus dem Reaktorbehälter herausgeführt werden.

Die im zweiten Dampfraum 13 anfallenden gasförmigen Produkte treten durch geeignet geformte öffnungen 21 in die Vorwärmzone 11 ein und treten dort in direkten Wärmetausch mit der Suspension. Bei der dadurch erfolgenden Abkühlung kon-

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1 densieren schwersiedende Bestandteile, die wiederum als Verdünnungsöl in der Suspension verbleiben und erneut in die Reaktionszone geführt werden.

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L e e r s e i t e

Claims

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Patentansprüche

1. Verfahren zur Durchführung stark exothermer Reaktionen, bei dem eine Katalysatorteilchen und Reaktionsteilnehmer enthaltende Suspension auf Verfahrensdruck gepumpt, auf Reaktionstemperatur erhitzt und umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension über eine im Reaktionsbehälter befindliche Vorwärmzone in eine Reaktionszone geführt und erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension von oben nach unten durch den Reaktionsbehälter geführt wird und daß die Vorwärmung durch direkten Wärmetausch mit leichten Reaktionsprodukten erfolgt.

J. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Reaktionszone durch Einspeisung eines Kaltgases geregelt wird.

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ORIGINAL INSPECTED

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der nach dem direkten Wärmetausch mit der Suspension gasförmig anfallenden Reaktionsprodukte durch eine Kühleinrichtung geregelt wird. 5

5· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nsch einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen vertikal angeordneten Druckbehälter mit einer im unteren Bereich befindlichen Reaktionszone, einer darüber angeordneten Vorwärmzone und einem Dampfraum für gasförmige Reaktionsprodukte, mit einer in den oberen Bereich der Vorwärmzone einmündenden Zuführungsleitung für die Suspension, einer aus dem Bereich des Dampfraums herausführenden Abzugsleitung für gasförmige Produkte, einer aus der Reaktionszone herausführenden Abzugsleitung für flüssige Produkte und Rückstände und mit einer im oberen Bereich der Vorwärmzone angeordneten Vorrichtung zum gleichmäßigen Beaufschlagen des Druckbehälters mit der Suspension.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Reaktionszone Leitungen zur Einführung von Kaltgas vorgesehen sind.

7· Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum gleichmäßigen Beaufschlagen aus Verteilböden besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, gegeneinander versetzte Spaltsiebe als Verteilböden vorgesehen sind.

9· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Dampfraums eine Kühleinrichtung vorgesehen ist.

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10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionszone unmittelbar an die Vorwärmzone anschließt und daß die Abzugsleitung für flüssige Produkte und Rückstände aus dem unteren Bereich der Reaktionszone herausführt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Vorwärmzone und der Reaktionszone ein zweiter Dampfraum für die Abscheidung der gasförmigen Produkte von den flüssigen Produkten und Rückständen vorgesehen 1st.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung von der Vorwärmzone in den unteren Bereich der Reaktionszone vorgesehen ist und daß die Abzugsleitung für flüssige Produkte und Rückstände
aus dem oberen Bereich der Reaktionszone herausführt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionszone durch einen überlauf, von dem die Abzugsleitung ausgeht, nach oben begrenzt ist.

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