NL8902250A - Werkwijze voor het uitvoeren van een chemische reactie en daarbij te gebruiken reactor. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze voor het uitvoeren van een chemische reactie en daarbij te gebruiken reactor

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het uitvoeren van een chemische reactie in aanwezigheid van een heterogene katalysator, waarbij een voeding gevoerd wordt door een katalytische reactor. Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze waarbij de chemische reactie sterk exotherm of sterk endotherm is.

Bij de meest gangbare katalytische reactoren maakt men gebruik van een vast katalytisch bed. In een dergelijk katalysatorbed zijn poreuze lichamen gestort of gestapeld.

Teneinde een ongewenst hoge drukval over het katalysatorbed te vermijden, past men het liefst lichamen of deeltjes toe met afmetingen van tenminste 0,3 mm. Deze minimale afmetingen van de katalysatorlichamen zijn noodzakelijk om de drukval, die bij het door het katalysatorbed leiden van een stroom reactanten optreedt, binnen technisch aanvaardbare grenzen te houden. Naast de door de toelaatbare drukval begrensde afmetingen legt de noodzakelijke activiteit van de katalysator een bovengrens op aan de afmetingen der katalytisch actieve deeltjes. De voor een aantal typen technische katalysatoren vereiste, hoge activiteit kan men meestal slechts bereiken met een oppervlak van de actieve fase van 25 tot 500 m2 per ml. Oppervlakken van een dergelijke orde van grootte zijn slechts met zeer kleine deeltjes mogelijk, bijvoorbeeld met deeltjes van 0,05 micron. Aangezien deeltjes met dergelijke afmetingen niet meer door een vloeistof- of gasmengsel zijn te doorstromen, moet men de primaire uiterst kleine deeltjes vormen tot hoog poreuze lichamen met afmetingen van minstens ongeveer 0,3 mm, welke een groot katalytisch oppervlak kunnen bezitten. Een belangrijke opgave bij de produktie van technische katalysatoren is de vereiste hoge porositeit te combineren met een voldoende hoge mechanische sterkte. De katalysatorlichamen mogen bij het vullen van de reactor en bij het blootstellen aan plotselinge temperatuurverschillen ("thermal shock") niet desintegreren.

Onder de condities van de thermische voorbehandeling en/of uit te voeren katalytische reactie, sinteren bijna alle katalytisch actieve materialen snel tot grote conglomeraten met een verwaarloosbaar klein actief oppervlak. In het algemeen brengt men daarom de actieve component (fijn verdeeld) aan op een zogenaamde drager. Deze drager vertoont de noodzakelijke thermische stabiliteit en sintert niet of nauwelijks bij hoge temperatuur. Als dragers gebruikt men meestal siliciumdioxyde, aluminiumoxyde of actieve kool.

Zeer veel technische reacties worden gekenmerkt door een min of meer groot, positief of negatief, warmteeffect. Voor het op de gewenste wijze laten verlopen van chemische reacties is een efficiënte toevoer of afvoer van de reactiewarmte onontbeerlijk. Zo verschuift bij sommige exotherme reacties het thermodynamisch evenwicht in een ongewenste richting als de temperatuur stijgt. Voorbeelden zijn de synthese van ammoniak en methanol, de oxydatie van zwaveldioxyde naar zwaveltrioxyde bij de produktie van zwavelzuur, de reactie van zwaveldioxyde met zwavelwaterstof in het Clausproces, de selectieve oxydatie van H2S tot S en de reactie van kool-monoxyde met waterstof tot methaan. Aangezien bij het verloop van deze reacties thermische energie vrijkomt, zal de temperatuur van het reactiemengsel toenemen en het thermodynamische evenwicht in ongunstige zin verschuiven, tenzij men de vrijkomende reactiewarmte snel en efficiënt uit de reactor afvoert.

Ook bij endotherme reacties kan een verschuiving in ongewenste richting van het thermodynamisch evenwicht optreden, nu door het opnemen van thermische energie. Voorbeelden zijn de methaan-stoom "reforming" en de dehydrogenering van ethylbenzeen tot styreen. Ook kan de reactiesnelheid zo laag worden dat de gewenste reactie niet meer verloopt.

Behalve een verschuiving van het thermodynamisch evenwicht in ongunstige richting kan een temperatuurverandering ook de selectiviteit van katalytische reacties in ongunstige zin beïnvloeden.

Voorbeelden van reacties waar de temperatuur de selectiviteit beïnvloedt zijn de produktie van etheenoxyde uit etheen (de ongewenste reactie is de vorming van water en kooldioxyde), de selectieve oxydatie van zwavelwaterstof tot elementaire zwavel (de ongewenste reactie is de vorming van SO2) en de Fischer Tropsch synthese. In alle gevallen treedt er door het vrijkomen van de reactiewarmte een temperatuur-verhoging op. Als men door een snelle afvoer van de reactiewarmte deze temperatuurverhoging niet voorkomt, neemt de selectiviteit sterk af.

Hoewel er, zoals uit de boven gegeven voorbeelden blijkt, zeer veel behoefte is aan een snelle toevoer of afvoer van thermische energie bij katalytische reactoren, is het thermisch geleidingsvermogen in een vast katalysatorbed gering. Het is volgens de huidige stand van de techniek vrijwel niet mogelijk op efficiënte wijze aan een vast katalysatorbed thermische energie toe te voeren of af te voeren. Dit blijkt dan ook uit de wijze waarop men technische reacties in vaste katalysatorbedden uitvoert.

Het is mogelijk dat van een exotherme reactie alleen het thermodynamische evenwicht bij temperatuurstijging in ongunstige richting verschuift, zonder dat de selectiviteit ontoelaatbaar vermindert. In dat geval kan men de reactie in een vast katalysatorbed adiabatisch laten verlopen; uiteraard is dit alleen maar mogelijk bij exotherme reacties. Na doorgang door de reactor koelt men de stroom reactanten in een afzonderlijke warmtewisselaar af. Omdat de conversie der reactanten nu door de temperatuurstijging in de reactor thermodynamisch beperkt is, moet men de reactanten na afkoelen opnieuw in reactie brengen. Men kan het reactieprodukt afscheiden en de reactanten door het vaste katalysatorbed recirculeren. Dit geschiedt bijvoorbeeld bij de ammoniak- en de methanolsynthese. Als men het reactieprodukt niet gemakkelijk kan afscheiden, moet men na de warmtewisselaar een tweede vast bed reactor met warmtewisselaar schakelen. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de oxydatie van zwaveldioxyde tot zwaveltrioxyde. Soms is om emissie van schadelijke verbindingen te voorkomen zelfs een derde reactor met warmtewisselaar nodig. Als het na elkaar schakelen van meerdere reactoren en warmtewisselaars niet goed mogelijk is en de afscheiding van het reactieprodukt evenmin, dan recirculeert men het reactieprodukt wel door het katalysator-bed. Per doorgang door de reactor voegt men dan zo weinig van de reactanten aan het circulerende reactieprodukt toe, dat deze volledig worden omgezet. Omdat de stijging van de temperatuur dan goed moet worden beheerst, kan men dan per doorgang door de reactor maar zeer weinig omzetten. In gevallen waarn de reactie bij sterk verhoogde druk moet worden uitgevoerd, zijn de problemen met de toevoer of afvoer van de reactiewarmte extra groot. Bij de ammoniak- en de methanolsynthese werkt men niet een katalysatorbed waarin op verschillende punten reactanten bij een relatief lage temperatuur worden geïnjecteerd.

Een dergelijke uitvoering van de werkwijze, waarbij gasstromen op een ingewikkelde wijze door hoge drukreactoren moeten worden gevoerd, vergt uiteraard ook hoge investeringen.

Het zal duidelijk zijn dat geen van de boven besproken technische oplossingen aantrekkelijk is. In het algemeen vergt het kostbare voorzieningen, terwijl recirculatie en afscheiding van in lage concentratie aanwezige reactieprodukten veel energie kosten. Men werkt daarom in de besproken gevallen vaak met een wervelbed. In een wervelbed is het transport van thermische energie veel gemakkelijker. In een wervelbed moet de toe te passen katalysator aan zeer hoge eisen qua mechanische sterkte en slijtvastheid voldoen, wat lang niet bij iedere katalysator mogelijk is. Tenslotte is het katalysator-verbruik bij een wervelbed door de onvermijdelijke slijtage relatief hoog. Een wervelbed zal dan ook in veel gevallen niet kunnen worden toegepast.

Er zijn gevallen waarbij men noch met een wervelbed, noch met een adiabatische reactor kan werken. Dit geldt vooral voor sterk endotherme reacties en reacties waarbij de selectiviteit bij verhoging van de temperatuur ontoelaatbaar afneemt. Voorbeelden zijn de methaan-stoom reforming en de selectieve oxydatie van etheen tot ethyleenoxyde. Bij een selectieve oxydatie van etheen werkt men met een zeer groot warmte-wisselend oppervlak door een reactor toe te passen met niet minder dan 20.000 lange pijpen. Bij de methaan-stoom reforming tracht men de warmtetoevoer te optimaliseren door de afmetingen en vorm der katalysatorlichamen aan te passen. Ook bij deze laatste reactie moet men een groot aantal kostbare pijpen in de reactor gebruiken.

In bepaalde gevallen kan men de reactie laten verlopen met een katalysator die in een vloeistof met een geschikt kookpunt is gesuspendeerd. De reactiewarmte wordt nu afgevoerd door het verdampen van de vloeistof. Bij endotherme reacties kan door de vloeistoffase thermische energie aan het reactie-systeem worden toegevoerd. Technisch is het uitvoeren van de katalytische reactie met een in een vloeistoffase gesuspendeerde katalysator echter slechts in enkele gevallen mogelijk.

Ook heeft men wel voorgesteld de katalysator uitsluitend op de wand van de reactor aan te brengen. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de uitvoering van de Fischer Tropsch reactie, waarbij men uit een mengsel van waterstof en koolmonoxyde hogere koolwaterstoffen produceert. De op de wand aangebrachte katalysator waarborgt een goede warmte overdracht van de katalysator naar buiten de reactor. Voor het aanbrengen van de katalysator op de wand heeft men onder meer de volgende werkwijze voorgesteld. Men brengt de katalysator als een Raneymetaal, een legering van het actieve metaal en aluminium op de wand aan. Na het aanbrengen wordt de katalysator geactiveerd door het aluminium met loog op te lossen. Het grootste deel van het reactorvolume is leeg, waardoor het contact van de reactanten met het katalytisch actieve oppervlak gering is en de conversie per doorgang door de reactor sterk beperkt wordt. De reactanten moeten daarom veelvuldig door de reactor gerecirculeerd worden.

In een aantal technisch belangrijke gevallen moet de drukval bij doorgang der reactanten door het katalysatorbed zeer gering blijven. Dit geldt bijvoorbeeld voor reactoren waarin rookgas van grote installaties moet worden gezuiverd, zoals bij de katalytische verwijdering van stikstofoxyden uit rookgas. Omdat een rookgasstroom in het algemeen zeer groot is, vergt een behoorlijke drukval zeer veel mechanische energie. Hetzelfde geldt voor de zuivering van uitlaatgassen van automobielen. Ook in dit geval is een hoge drukval ontoelaatbaar.

Op het ogenblik is de enige mogelijkheid een acceptabele drukval te bereiken, zonder het contact met de katalysator ontoelaatbaar te verminderen, het toepassen van op een-honingraat aangebrachte katalysatoren. Bijna uitsluitend past men hiervoor keramische honingraten ("honeycombs", "monoliths") toe, waarop het katalytisch actieve materiaal is aangebracht. Deze keramische honingraten zijn echter zeer kostbaar. Toepassen van deze honingraten is daarom niet erg aantrekkelijk.

Een variant op de werkwijze waarbij de katalysator alleen op de wand is aangebracht, wordt gevormd door het gebruik van uit dunne metaalplaten opgebouwde monolieten. Men vervaardigt een dergelijke reactor bijvoorbeeld door een combinatie van gegolfde en vlakke dunne metaalplaten op te rollen en vervolgens vast te lassen. Ook kan men de vlakke platen opstapelen op een wijze die leidt tot een systeem met een groot aantal kanalen. Op de wand van de aldus verkregen kanalen brengt men dan de katalysator aan. Ook in dit geval is, bij een normale doorstroming, de conversie beperkt, omdat een relatief grote fractie van de reactanten onomgezet de katalysator passeert, dan wel omdat de reactanten een relatief lange tijd in de reactor moeten verblijven teneinde een voldoende hoge conversie te verkrijgen.

Zoals opgemerkt is de thermische geleiding in een vast katalysatorbed slecht. Men heeft dit geweten aan het lage thermische geleidingsvermogen van de hoog-poreuze dragers waarop het katalytisch actieve materiaal is aangebracht.

Daarom hebben Kovalanko, O.N. et al., Chemical Abstracts 31 (18) 151409u voorgesteld de thermische geleiding te verbeteren door het geleidingsvermogen der katalysatorlichamen op te voeren. Zij deden dit door als katalysatordrager poreuze metalen lichamen toe te passen. Nu is door Satterfield reeds beschreven dat het thermische geleidingsvermogen van een stapeling poreuze lichamen niet zozeer wordt bepaald door het geleidingsvermogen van het materiaal van de lichamen, maar door de contacten tussen de lichamen onderling(C.N. Satterfield, "Mass Transfer in Heterogeneous Catalysis", MIT Press, Cambridge, MA., USA (1970), pagina 173). Eigen metingen van de uitvinders hebben laten zien dat het thermisch geleidingsvermogen van katalysatorlichamen inderdaad het warmtetransport in een katalysatorbed niet sterk beïnvloedt.

In WO-A 86/02016 is een reactor beschreven omvattende een van een katalysator voorzien reactiebed dat bestaat uit gesinterde metaaldeeltjes die in een goede warmtegeleidende verbinding staan met de reactorwand, welke wand aan de buitenzijde voorzien is van gesinterde metaaldeeltjes voor het afvoeren van reactiewarmte. Voorts vindt aan de buitenzijde van de reactor een fase-overgang plaats. Een dergelijk reactorsysteem blijkt wel een grote warmteafvoer te kunnen realiseren, maar heeft het nadeel, dat een goede instelling en/of regeling van de reactie niet mogelijk, dan wel zeer moeilijk is. Dit blijkt o.a. uit het voorbeeld waarin de katalytische verbranding van een brandbaar gas met een verbrandingswaarde van 35.530 kJ wordt beschreven. Dit zou moeten gebeuren bij een temperatuur van 350°C. Door de koeling van de reactor met verdampend water (stoomproduktie) bij 110°C

wordt echter de gehele reactor afgekoeld tot 110°C, zodat de reactie niet zal verlopen.

Er bestaat derhalve behoefte aan een systeem waarin een chemische reactie, meer in het bijzonder mét een belangrijk warmte-effeet,op eenvoudige wijze uitgevoerd kan worden.

Volgens de uitvinding werd gevonden, dat reacties van het bedoelde type uitstekend kunnen worden uitgevoerd in een katalytische reactor waarin het reactorbed bestaat uit aan elkaar en aan één zijde van de reactorwand gesinterde elementaire deeltjes materiaal, doch waarbij aan de andere zijde van de reactorwand geen gesinterde metaaldeeltjes aanwezig zijn. Wanneer in een dergelijke reactor de diameter-van het reactorbed gekozen wordt in relatie tot de, van reactie tot reactie verschillende, maar bekende en, afhankelijk van de reactieomstandigheden te berekenen warmte-effecten reacties van het bedoelde type optimaal uitgevoerd kunnen worden.

Aan de uitvinding ligt ten grondslag het inzicht, dat voor het op praktische schaal uitvoeren van een katalytische reactie deze binnen een bepaald temperatuurgebied moet verlopen. Indien bij endotherme respectievelijk exotherme reacties de warmte moet worden toe- of afgevoerd, zal de temperatuur stijgen tot boven respectievelijk dalen tot onder dit temperatuur gebied. Door toepassing van de uitvinding is het echter mogelijk om de optimale temperatuur te handhaven door het kiezen van het meest geschikte reactorsysteem.

De uitvinding betreft dan ook een werkwijze voor het uitvoeren van een chemische reactie in aanwezigheid van een heterogene katalysator, waarin een voeding geleid wordt door een katalytische reactor, welke reactor tenminste omvat een vast reactorbed met daarop aanwezig een katalytisch actief materiaal, en tenminste één warmte toe- en/of afvoerende reactorwand en waarbij het katalysatorbed bestaat uit aan elkaar en aan één zijde van de wand gesinterde elementaire deeltjes materiaal, waarbij geen gesinterd materiaal aanwezig is aan de andere zijde van de reactorwand, en waarbij de maximale afstand in meter (xmax) van enig punt van het reactorbed tot een dichtsbijzijnde warmte toe- en/of afvoerende wand bepaald wordt door de formule:

In deze formule is λ de effectieve warmtegeleidingscoefficient in W/mk van het gesinterde materiaal. De mate van warmtetransport is een relatief belangrijke factor bij de katalysatorsystemen volgens de uitvinding. Uiteraard wordt de warmtegeleidbaarheid van het totale systeem, d.w.z. van de reactorwand tot in het bed mede bepaald door de warmte-geleidbaarheid van het toegepaste materiaal. Bij voorkeur is de warmtegeleidbaarheid niet minder dan 10% van de warmtegeleidbaarheid van het toegepaste materiaal in massieve toestand; bij voorkeur ligt deze waarde tussen 10 en 75%. In absolute termen ligt de warmtegeleidbaarheid tussen 2 en 250 W/mK.

ai is de warmteoverdrachtscoefficient in W/m^k aan de reactorzijde van de warmte toe- en/of afvoerende reactorwand en gelijk aan ε α, waarin ε een waarde tussen 1,0 en 10 heeft en de vergroting van de warmteoverdracht aangeeft door sintering van het materiaal en α de warmteoverdrachts-coefficient is aan de warmte toe- en/of afvoerende reactorwand van het reactorbed in niet-gesinterde toestand. De waarden voor λ, ai en a worden bepaald volgens de methoden aangegeven in Powell, R.W., "Thermal Conductivity Determination by Thermal Comparator Methods", Thermal Conductivity, Vol.2, Academic Press, 1969; of Carslaw, H.S., Jaeger, J.C.; Conduction of Heat in Solids, Oxford University Press, 2nd Ed., 1959.

ATmax gemeten over een radiale doorsnede door het reactorbed is de absolute waarde van het temperatuurverschil tussen enig punt op deze doorsnede en de meest nabije warmte toe- en/of afvoerende reactorwand, waarvan de maximaal toelaatbare waarde, afhankelijk van het type reactie en het reactormateriaal, tussen 1 en 1000 K ligt. De waarde voor ATmax wordt bepaald door de door externe factoren bepaalde waarden voor een minimale temperatuur Tmin en maximale temperatuur Tmax. De grondslag van een Tmin en een Tmax kunnen zeer verschillend zijn: Maximale of minimale temperatuur om neven- en/of vervolg reacties te voorkomen, vastvriezen van het evenwicht of een te lage reactiesnelheid, een te hoge drukval, stabiliteit, voldoende hoge temperatuurstijging in de reactor door eisen van de vervolg unit operation, materiaalbeperkingen, condensatie van ingangsstoffen of reactieprodukten etc. a is een vormfactor welke alleen bepaald wordt door de geometrische vorm van de reactor. Voor een buis en een plaat is deze respectievelijk 0,25 en 0,5. a heeft in het algemeen een waarde die tussen deze twee waarden inligt. a' is een vormfactor die de verhouding weergeeft tussen het oppervlak van de reactordoorsnede en de warmtewisselende omtrek van deze reactordoorsnede vermenigvuldigd met xmax. a' is derhalve alleen afhankelijk van de geometrie van de reactor. Voor een buis is a' 0,5 en voor een plaat 1. In tabel 1 zijn voor een aantal reactorgeometrieën waarden voor a en a' taangegeven.

lafesl-l reactorvorm a a' a'/a buis .25 .5 2 vierkant .29 .5 1.72 recht. 2x1 .45 2/3 1.48 4x1 .497 4/5 1.61 8x1 .500 8/9 1.78 16x1 .500 16/17 1.88 plaat .5 1 2

De betekenis van q in de formule is de in het reactorbed gegenereerde maximale reactiewarmte in W/m3, welke in radiale richting door de wand toe- en/of afgevoerd moet worden. De waarde van q is onder meer afhankelijk van de katalysator-activiteit, de beladingsdichtheid van de katalysator, de geometrie van de katalysator en de gassamenstelling. Voor een gegeven reactie respectievelijk gegeven reactieomstandigheden kan q op eenvoudige wijze worden bepaald.

Wanneer men xmay wil bepalen in relatie tot de in radiale richting getransporteerde warmte per m2 reactorwand kan de relatie worden geschreven als:

waarin a, a', λ, ATmav en ai de hierboven beschreven betekenis hebben en Q de in radiale richting getransporteerde warmte per m2 reactorwand is. De grootte van Q is afhankelijk van de per volume-eenheid geproduceerde of benodigde warmte die in radiale richting moet worden afgevoerd q en de grootte van het warmtewisselend oppervlak.

Q kan eenvoudig worden bepaald door de warmtestroom door de buitenzijde van de reactor te bepalen.

Deze warmte moet aan de buitenzijde van de reactor worden af-en/of toegevoerd. Dit kan op velerlei wijzen, afhankelijk van het door de reactie bepaalde temperatuurgebied en/of andere externe factoren, gebeuren. Mogelijkheden hiertoe zijn gassen en vloeistoffen al dan niet in een wervelbed, straling door middel van infraroodstralers en/of open vlammen, geleiding door vaste stoffen etc.

Bij de werkwijze respectievelijk de reactor volgens de uitvinding kunnen de elementaire lichamen, die het vaste katalysatorbed vormen en al dan niet poreus zijn, uit allerlei materialen bestaan, en op uiteenlopende wijze zijn gevormd. In de eerste plaats is daarbij van belang dat de deeltjes onderling vast verbonden kunnen worden, bijvoorbeeld door sinteren. De afmetingen van de lichamen zijn onder meer van belang voor de drukval over de reactor: als de lichamen te klein zijn kan de drukval te hoog worden. Bepalend voor de drukval over het katalysatorbed is de poriestructruur van het gesinterde bed.. Derhalve gaat men bij voorkeur uit van elementaire lichamen waarvan de grootste afmeting tenminste 0,3 mm bedraagt.

Desgewenst kan men ook uitgaan van kleinere basisdeeltjes welke tijdens het sinteren tot grotere lichamen samengaan, zodat toch een acceptabele drukval verkregen wordt. De bovengrens van de grootte wordt mede bepaald door de mate van contact tussen katalysator en reactant(en), terwijl ook de vorm van de lichamen een rol kan spelen.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding is het katalysatorbed opgebouwd uit min of meer isotrope deeltjes, meer in het bijzonder met een vrij nauwe deeltjesgrootteverdeling. Bij toepassing van dergelijke elementaire deeltjes verkrijgt men een katalysatorsysteem met zeer goede eigenschappen.

Het materiaal waaruit de elementaire deeltjes bestaan is bij voorkeur metaal, maar kan ook alumina, silica, silica-alumina, zeoliet, titaandioxyde, zinkoxyde of zircoonoxyde zijn, dan wel oxyden van een combinatie van elementen, zoals spinel (MgAl2Ü4), mulliet (3A1203.2SÏ02) of corderiet (2MgO.2AI2O3.5S1O2), evenals carbiden, nitriden en boriden van elementen zoals silicium, wolfraam, titaan en vanadium. De voorkeur bestaat voor metaal of metaallegeringen, omdat elementaire deeltjes bestaande uit deze materialen relatief gemakkelijk door sinteren vast aan elkaar en aan de reactorwand te'verbinden zijn. Het metaal of de metaallegering kan dan zelf katalytisch actief zijn of door behandeling te maken zijn, maar het is ook mogelijk hierop een katalytisch actief materiaal aan te brengen.

Meer in het bijzonder is het mogelijk een katalytisch actieve component eerst op een (hoog-)poreuze drager aan te brengen en de aldus beladen drager op het metaal- of legeringsoppervlak te hechten. Dit laatste kan van betekenis zijn als de katalytisch actieve component niet in direct contact met het materiaal van de samengesinterde lichamen mag komen om ongewenste interacties tussen het materiaal van de lichamen en de katalytisch actieve component te voorkomen.

Geschikte metalen voor toepassing in elementaire deeltjes zijn onder meer nikkel, ijzer, chroom, mangaan, vanadium, kobalt, koper, titaan, zircoon, hafnium, tin, antimoon, zilver, goud, platina, palladium, wolfraam, tantaal evenals de lanthaniden en actiniden. De elementaire deeltjes kunnen bestaan uit in hoofdzaak zuiver metaal of uit een legering van twee of meer metalen, welke legering ook nog niet-metallische componenten kan bevatten, zoals koolstof, stikstof, zuurstof zwavel, silicium, en dergelijke.

Volgens een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding bestaan de elementaire deeltjes uit vezels of draden, bij voorkeur met een diameter van ten hoogste 0.5 mm, bij voorkeur van 1-250 pm. De materialen waaruit deze deeltjes vervaardigd zijn omvatten bij voorkeur koolstof en metaal of metaallegeringen.

In de onderhavige beschrijving verstaat men onder de term "reactorwand" de fysische scheiding tussen de ruimte waar de reactie plaatsvindt, dat wil zeggen het katalysatorbed en de ruimte waar de warmte toe- of afvoer plaatsvindt. Dit kan uiteraard de buitenwand van het katalysatorbed zijn, maar dit omvat bijvoorbeeld ook de wanden van kanalen in het bed, waardoor warmtewisselend medium gevoerd kan worden.

De wand kan bestaan uit de gebruikelijke materialen die voor deze doeleinden bekend zijn. Deze wanden kunnen bestaan uit een enkele laag, maar het is ook mogelijk meer dan één laag toe te passen, waarbij het mét name voordelen kan hebben, als het oppervlak waaraan de elementaire lichamen vast verbonden moeten worden, de hechting met de elementaire lichamen verbetert. Men kan daarbij onder meer denken aan de toepassing van emailbekleding bij keramische elementaire lichamen.

De mate van porositeit van het vaste katalysatorbed kan bij de uitvinding binnen ruime grenzen gevarieerd worden. Deze porositeit, dat wil zeggen het gedeelte van het bed dat niet door vast-verbonden elementaire deeltjes ingenomen wordt, ligt in het algemeen tussen de 20 en 90 vol.%. De meest geschikte waarde hangt af van het gewenste oppervlak, de gewenste drukval en de mate van warmtetransport in het bed. Voorkeursvoorwaarden voor de porositeit tussen 40 en 85 vol.%.

De mate van warmtetransport is een relatief belangrijke factor bij de katalysatorsystemen volgens de uitvinding. Uiteraard wordt de warmte-geleidbaarheid van het totale systeem, dat wil zeggen van de reactorwand tot in het bed mede bepaald door de warmte-geleidbaarheid van het toegepaste materiaal.Bij voorkeur is de warmte-geleidbaarheid niet minder dan 10% van de warmte-geleidbaarheid van het toegepaste materiaal in massieve toestand; bij voorkeur ligt deze waarde tussen 10 en 75%. In absolute termen ligt de warmte-geleidbaarheid bij voorkeur tussen 0,2 en 300 W/m.K.

De warmtegeleidbaarheid is sterk afhankelijk van de warmtegeleidbaarheid van de toegepaste elementaire lichamen. Al2Ü3-extrudaat heeft bijvoorbeeld een geleidbaarheid van 0.32 W/m.K, terwijl een gesinterd lichaam van 316L een waarde heeft van 3-12 W/m.K.Poeder van 316L heeft daarentegen een waarde van 0.55, terwijl massief materiaal 20 W/m.K. bezit. Massief koper heeft een warmtegeleidbaarheid van 398 W/m.K. Al deze waarden hebben betrekking op de toestand bij kamertemperatuur. Bij andere temperaturen verandert de absolute waarde van de getallen wel, maar de onderlinge verhouding blijft ongeveer gelijk.

Het katalysatorsysteem volgens de uitvinding is toepasbaar voor in principe elke katalytische chemische reactie, maar is meer in het bijzonder geschikt voor die reacties die een sterk thermisch effect kennen, dat wil zeggen sterk endo- of exotherme reacties, dan wel reacties waarvan de selectiviteit sterk temperatuurs-afhankelijk is.

In een aantal technisch belangrijke gevallen wil men met een grote tot zeer grote ruimtelijke doorvoersnelheid werken, waarbij men een grote drukval over de reactor als een minder groot bezwaar ziet. Bij de thans gebruikelijke vast bed reactoren is een hoge drukval met de bijbehorende grote ruimtelijke doorvoersnelheid niet goed mogelijk. Als men de druk aan de reactoringang verhoogt, kan de katalysator uit de reactor worden geblazen (gasvormige reactanten) of gespoeld (vloeibare reactanten). Ook is het mogelijk dat bij een bepaalde kritische waarde van de druk van de reactoringang "channeling" optreedt. In dat geval gaan de katalysatordeeltjes in een bepaald deel van de reactor bewegen. De reactanten blijken ir. dat geval vrijwel uitsluitend door dat deel van het katalysatorbed te stromen dat in beweging is. Omdat in de reactor volgens de uitvinding de katalysatordeeltjes veel beter zijn gefixeerd, kan men met een dergelijke reactor met een veel hogere snelheid der reactanten (en dientengevolge een veel hogere drukval over de reactor) werken. Dit kan onder bepaalde omstandigheden van veel voordeel zijn. Een ander belangrijk voordeel van het fixeren der katalysatorlichamen in de reactor blijkt bij de afzetting van stof op het katalysatorbed. Bij de thans gangbare vast bed reactoren verstopt het katalysatorbed. Men moet de reactor openen en de stoflaag verwijderen. Bij reactoren volgens de huidige uitvinding kan men in een richting tegengesteld aan die van de stroom reactanten een puls gas van hoge druk door de reactor sturen. Deze drukpuls blaast de stof van het katalysatorbed; hierdoor kan men verstopping voorkomen zonder de reactor te openen, wat technisch zeer aantrekkelijk is. Met vast bed katalysatoren volgens de huidige stand der techniek is dit niet mogelijk; men blaast dan met de stoflaag de katalysatorlichamen uit het katalysatorbed.

Bij niet gesinterd materiaal heeft het reactorbed, door het niet op elkaar aansluiten van de vorm van de materiaal-deeltjes en de reactorwand, een hoge porositeit aan de wand. Hierdoor is er weinig katalysator aanwezig op deze plaats en zal er relatief veel minder voeding worden omgezet. Dit effect wordt nog versterkt doordat de hoge porositeit lage druk-verliezen heeft en de voeding bij voorkeur langs de wand zal stromen. Door sintering daarentegen wordt de aansluiting op de wand verbeterd en is de porositeit in de ordegrootte van het zich niet aan de wand bevindende bedmateriaal. Bovendien wordt door het aanbrengen van de katalysator na vullen en sinteren van de reactor ook katalysator afgezet op de wand. Deze twee effecten hebben tot gevolg dat de doorslip langs de wand veel minder is en de reactor als geheel korter gebouwd kan worden. Zodoende blijft de drukval laag en is een alternatief voor honeycombs voorhanden.

De uitvinding is bijzonder geschikt voor het uitvoeren van sterk exotherme of endotherme katalytische reacties. Als voorbeeld van een dergelijke reactie wordt de oxydatie van methaan beschreven. Als voorbeeld van een reactie waarvan de selectiviteit sterk door de temperatuur wordt bepaald, wordt de selectieve oxydatie van zwavel waterstof genomen. In dit geval is de afvoer van thermische energie van grote betekenis aangezien boven een temperatuur van ongeveer 300°C de oxydatie van zwaveldamp tot het ongewenste zwaveldioxyde gaat verlopen Gebruik van een katalysatorsysteem volgens de uitvinding maakt het mogelijk gasstromen met een zwavelwaterstofgehalte van bijvoorbeeld 10 vol.% zeer efficient te zuiveren. De zwavelwaterstof wordt selectief geoxydeerd tot elementaire zwavel die door condensatie uiterst eenvoudig is af te scheiden. Omdat dergelijke gasmengsels niet goed in een Clausproces zijn te verwerken, is de uitvinding hiervoor van bijzonder groot belang.

Het katalysator systeem volgens de uitvinding kan, zoals reeds aangegeven is, uit zichzelf reeds katalytisch actief zijn of door behandeling geactiveerd worden. Het is echter ook heel goed mogelijk een katalytisch actief materiaal op de vast verbonden elementaire lichamen aan te brengen. Daarbij bereidt men eerst een dispersie van katalytisch actief materiaal, dat desgewenst aangebracht kan zijn op een drager, in een vloeistof en brengt men vervolgens deze vloeistof op geschikte wijze aan op de vastverbonden elementaire lichamen. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren door het bed waarop het katalytisch actieve materiaal aangebracht moet worden onder vacuum te brengen en de dispersie vervolgens in het bed te zuigen, waardoor het bed geïmpregneerd wordt met de katalytisch actieve stof. De samenstelling van de dispersie en de condities voor het vervaardigen van het systeem kiest men bij voorkeur zodanig, dat de viscositeit van de impregnatievloeistof na de impregnatie wordt opgevoerd. Op die wijze is het namelijk mogelijk de vloeistof fase uit de dispersie te verwijderen, zonder dat de verdeling van het katalytisch actieve materiaal substantiëel verstoord wordt. Bovendien verkrijgt men op deze wijze een betere verdeling van het katalytisch actieve materiaal over de vast verbonden elementaire lichamen. Er is een aantal methoden denkbaar voor het verhogen van de viscositeit van de vloeistof. Een eerste methode wordt gevormd door het afkoelen tot beneden het stolpunt ervan, zodat de hele massa vast wordt. Door toepassing van vacuum kan men dan het systeem vriesdrogen. Een andere mogelijkheid, en deze heeft de voorkeur, wordt gevormd door het opnemen van een geringe hoeveelheid agar of andere stof met vergelijkbare werking in de dispersie, zodat men de mogelijkheid heeft de dispersie bij verhoogde temperatuur in het systeem te brengen en vervolgens door eenvoudig af te koelen het systeem te fixeren. Aansluitend kan men de vloeistof onder vacuum of op andere wijze verwijderen en de agar bij verhoogde temperatuur verwijderen door pyrolyse. De geschikte hoeveelheid agar wordt in hoofdzaak bepaald door de wens dat de vloeistof voldoende visceus of zelfs vast moet kunnen worden. Geschikte concentraties liggen tussen 0,05 en 1,0 gew.%

De bij de werkwijze volgens de uitvinding te gebruiken katalysatorsystemen worden aan de hand van de figuren nader toegelicht.

Fig. 1 geeft een schematisch beeld van een uitvoeringsvorm van het katalysatorsysteem volgens de uitvinding, waarbij van links naar rechts de vergroting toeneemt. In de linkertekening wordt het systeem als zodanig gegeven, waarbij van onder de reactanten het systeem ingaan, terwijl van boven de produkten het systeem verlaten. De geproduceerde warmte verlaat via de links getekende pijlen het systeem en wordt afgevoerd onder toepassing van een niet getekend warmtewisselend medium.

De middelste tekening is een vergroting van de hierboven besproken tekening en geeft in detail een stuk van de reactorwand met vast verbonden elementaire lichamen. Hierin geeft 1 de matrix van vast verbonden metaaldeeltjes, 2 de reactorwand en 3 een aanvullend warmtewisselend materiaal.

De rechter tekening geeft een nog sterkere vergroting en toont de lokatie van de katalytisch actieve deeltjes 4 op het metaal 1.

Fig. 2 geeft in de vorm van een schets de methode voor het aanbrengen van een katalytisch actief materiaal op de vast verbonden elementaire lichamen. In de figuur geeft 1 de vast verbonden elementaire deeltjes aan en 2 de reactorwand. Deze wand maakt deel uit van een reactor die aan de boven- en onderzijde voorzien is van aansluitingen 5/ 6 voor toe- en afvoer van materialen. In deze aansluitingen zijn kleppen 7, 8 aangebracht. Om de reactor bevindt zich een mantel 9 voor warmtewisselend medium, bijvoorbeeld water. Deze mantel is voorzien van aansluitingen 10 en 11. Toevoer 5 is voorzien van een reservoir 12 voor vloeistof, welke in het systeem gebracht kan worden. Bij het aanbrengen van katalytisch actief materiaal in het systeem gaat men dan als volgt te werk:

Klep 7 staat dicht en aansluiting 6 wordt in verbinding gebracht met een vacuumpomp, terwijl klep 8 open staat. In reservoir 12 bevindt zich een dispersie van het in het systeem aan te brengen katalytisch actief materiaal in een vloeistof. Zodra het vacuum in de reactor voldoende is, wordt klep 8 gesloten. Door klep 7 te openen wordt de dispersie in het systeem gezogen. Zodra zich voldoende dispersie in het systeem bevindt kan het vacuum volledig opgeheven worden en kan het reservoir 12 verwijderd worden. Via de mantel wordt het systeem gekoeld, totdat de vloeistof voldoende visceus of gestold is. Vervolgens wordt het geheel in vacuum gedroogd.

Voorbeeld 1

Uitgaande van een bepaalde reactie waarbij warmte moet worden af- of toegevoerd zal het ontwerp voor een reactor uit de volgende stappen bestaan.

1. Vaststelling van de reactie, het gewenste temperatuur-traject, de absolute druk, de inlaat concentraties en de vereiste conversie en de hoeveelheid voeding.

2. Bepaling van de kinetische gegevens van de katalysator die bij de bedoelde reactie wordt toegepast. Dit kan zowel gebeuren in een proefreactor bestaande uit sintermetaal waarop de katalysator is afgezet als in een proefreactor met daarin slechts op keramisch materiaal -afgezette katalysator. In het laatste geval zal een correctie moeten worden gemaakt voor de veranderde belading van de katalysator.

Een en ander zal leiden tot een verband dat de reactiesnelheid beschrijft of voldoende nauwkeurig benadert binnen de grenzen van temperatuur en deeldrukken van de reactanten. Algemeen zal dit verband er als volgt uitzien: = F (τ, P, T, PCi) i = 1 -> n waarin de verandering van component i is per tijdseenheid en per volume eenheid van reactorbed.

X is de contacttijd tussen de reactanten en de katalysator.

T de temperatuur is waarbij de reactie plaatsvindt.

PCi de deeldruk is van component i, P de druk van het systeem, n het aantal bij de reactie betrokken reactanten is.

3. q volgt dan uit het produkt en ΔΗ, waarin ΔΗ de reactiewarmte is die vrijkomt per geconverteerde drukeenheid van component ei.

4. Uit de samenstelling van de voeding en het temperatuur-traject kan in verband met corrosiebestendigheid een materiaal waaruit de reactor moet bestaan, worden gekozen.

5. Met behulp van de gegevens van de leverancier van het gesinterde materiaal kan een deeltjesgrootte en een poriegrootteverdeling worden gekozen. Dit hangt samen met de toegestane drukval en de benodigde verblijftijd in de reactor materiaal om tot een bepaalde conversie te komen. De lengte van de reactor en de gemiddelde snelheid waarmee de voeding door de reactor stroomt worden simultaan bepaald. Deze is afhankelijk van de temperatuur, welke over het algemeen niet constant zal zijn, de toegestane drukval en de benodigde verblijftijd. Deze stap vereist veelal een integratie over de reactor lengte om tot een nauwkeurige bepaling van lengte, snelheid van de voeding, deeltjesgrootte en poriegrootte-verdeling te komen.

6. De diameter of dikte van een element van de reactor (bijvoorbeeld een plaat of een buis) kan worden berekend met behulp van de hier gegeven formule.

7. Het toe te passen koel- of verwarmingsmiddel moet worden gekozen op basis van de hoeveelheid af of toe te voeren warmte en het benodigde temperatuurgebied.

8. Het aantal reactor elementen kan worden bepaald met behulp van de hoeveelheid te verwerken voeding en de hoeveelheid per reactorelement welke met behulp van 6 kan worden berekend.

Voorbeeld 2 20 gram 7-A1203 (Al 4172, 265 m2/g, porievolume 1,14 ml/g) werd gesuspendeerd in 750 ml gedeïoniseerd water van 30°C. De pH werd ingesteld op 5 met behulp van geconcentreerd HNO3.

1,95 g EDTA (ethylene diamine tetra-azijnzuur) werd opgelost in 50 ml gedeïoniseerd water door toedruppelen van geconcentreerde ammonia, waarbij ervoor gezorgd werd dat de pH niet onder de 4 daalde. 2.69 g La (Νθ3)3·6Η2θ (overeenkomend met een uiteindeljke belading van 5 gew. % La2C>3) werd opgelost in 5 ml gedeïoniseerd water en voorzichtig toegedruppeld aan de EDTA- oplossing. De pH werd tussen de 4 en 7 gehouden door toedruppelen van verdunde ammonia. De uiteindelijke oplossing werd geschonken bij de suspensie van γ-Αΐ2θ3 in water. De pH . werd opnieuw ingesteld op 5 door toedruppelen van verdund HNO3. Gedurende een uur werd de suspensie heftig geroerd en . werd de pH door middel van injectie van verdund HNO3 onder het vloeistofoppervlak constant gehouden. Na een uur werd de suspensie afgefiltreerd en 2 keer gewassen met 25 ml gedeïoniseerd water. Het dragermateriaal werd vervolgens gedroogd bij 60eC gedurende 16 uur. Het gedroogde dragermateriaal werd 5,5 uur gecalcineerd aan de lucht bij een temperatur van 550°C teneinde het lanthaancomplex om te zetten in oxydische vorm.

Het dragermateriaal bevat uiteindelijk 3 gew.% La2<D3. 15 g van deze gestabiliseerde drager werd gesuspendeerd in 750 ml gedeïoniseerd water van 30°C.

5,16 g Cu (NO3) 2-3H20 werd opgelost in 50 ml gedeïoniseerd water en toegevoegd aan de suspensie. De suspensie werd heftig geroerd terwijl N2 onder het vloeistofoppervlak werd geblazen. Met geconcentreerd HNO3 werd de pH op 4 ingesteld. Door middel van injectie van een 0,5 M NaOH-oplossing (0,3 ml/min) onder het vloeistofoppervlak werd de pH verhoogd tot 12. Na 16 uur werd de katalysator afgefiltreerd en 2 keer gewassen met 25 ml gedeïoniseerd water. De katalysator werd bij 60°C gedroogd gedurende 23 uur.

Deze katalysator werd vervolgens gemalen en gezeefd met een zeef met een maaswijdte van 25μπι. Dit poeder werd gesuspendeerd in water tot een 10 gew.% mengsel, en de pH werd op 5 ingesteld. Daarna werd 0.25 gew.% agar (pro analyse) aan dit mengsel toegevoegd. Dit werd verhit op een waterbad tot 90°C en daarna minimaal gedurende 2 minuten op deze temperatuur gehouden, zodat de agar volledig kon oplossen.

Daarna werd een stalen pijp met daarin een poreus metalen (316 L)lichaam, waarbij de afmetingen van de te doorstromen poriën in dit lichaam groter zijn dan ΙΟΟμπι, in een waterbad van tenminste 90°C verwarmd.

Dit poreuze metalen lichaam was tevoren verkregen door elementaire deeltjes, die in hoofdzaak bestaan uit metaal-poeder (316 L) met een deeltjesgrootte van ongeveer 500μιη, aan elkaar en aan de wand vast te sinteren. Tijdens deze verwarming werd het poreus materiaal vacuum gezogen tot 15 mm Hg. Vervolgens werd het voornoemde nog warme mengsel, dat de katalysator bevat, in de pijp met poreus materiaal gelaten. Na het inlaten van deze suspensie in het poreuze lichaam werd het geheel zolang op een temperatuur van tenminste 90°C gehouden, dat de suspensie aan de onderkant van het poreuze lichaam te voorschijn kwam. Daarna werd het aldus geïmpregneerde poreuze lichaam afgekoeld tot kamertemperatuur. Vervolgens werd 2 uur gewacht, zodat zeker is, dat de agar de suspensie heeft laten geleren. Daarna werd alle suspensie, die zich niet in het lichaam bevond, verwijderd. Vervolgens werd dit lichaam gedurende 1 nacht in een vacuum van belangrijk minder dan de dampdruk van water bij kamertemperatuur (15 torr) gedroogd. Om dit droogproces te versnellen is het mogelijk om de buis in vacuum tot onder het smeltpunt van de gestolde suspensie te verhitten (tot maximaal 40°C) . Tenslotte werd de agar verbrand door in lucht het poreus metalen lichaam te verhitten tot boven 450°C.

Bij doorstroming resulterend in een drukval van 1 atm. werd minder dan 1% van de geïmpregneerde katalysator uitgeblazen.

Uit metingen bij een space velocity van 6000/hr bleek, dat de activiteit van de katalysator voor verbranding van aardgas door de hier beschreven impregnatie nauwelijks was verminderd.

Voorbeeld 3

Selectieve oxydatie van H2S tot elementaire zwavel.

Voor de vervaardiging van de reactor werd uitgegaan van een stalen pijp. Hierin werden metaaldeeltjes van een ijzer-chroomlegering gebracht met een samenstelling van 80% ijzer en 20% chroom. De afmetingen der metaaldeeltjes waren 900 tot 2000 jjm. Nadat het in de buis gestorte legeringspoeder door trillen was verdicht, werd het poeder gedurende 10 uur bij 1200°C in een waterstof atmosfeer gesinterd. Dit leidde tot een hecht in de buis verankerd, poreus metalen lichaam.

De reactor werd daarna vervolgens gedurende 16 uur onder doorleiden van lucht op 800°C verhit. Door deze behandeling verdween de activiteit van het oppervlak voor de vorming van zwaveldioxyde.

Vervolgens werd op de in voorbeeld 2 beschreven wijze de katalytisch actieve component op de voorbehandelde legering aangebracht. De actieve component bestond uit 0-AI2O3 waarpo 5% Fe2C>3/Cr203met een Fe/Cr verhouding van 9/1 was aangebracht.

Het specifieke oppervlak van het CX-AI2O3 was 6,5 m2 per g. Er word 600 kg/m3 katalysatorbed volume van deze actieve component in de reactor aangebracht.

Indien 16 m3/s van een gas dat 5% H2S bevat door reactie middels bovenstaande katalysator wordt geoxideerd waarbij het H2S wordt omgezet in S, dan kan het conventionele systeem worden vergeleken met een reactor volgens de uitvinding.

Indien beide katalysatoren, d.w.z. een conventionele katalysator met niet gesinterd keramisch materiaal en een op gesinterd metaal (aluminium) aangebrachte katalysator volgens de uitvinding in buisvormige reactoren worden gebracht en de reactie verloopt bij 300°C kan met behulp van de gegevens van tabel 2 waarin ook de resultaten staan vermeld de buisdiameter worden berekend. ATmax wordt op 25°C gesteld in verband met twee ongewenste effecten. Bij een lagere temperatuur is de evenwichtsconversie te gering. Bij hogere temperaturen start de vervolgreactie waarbij S wordt door geoxideerd naar SO2.

Tabel 2

Eenheid Conventioneel Vlgsn uitvinding ^Tniax K 25 25 q W/m3 9 0,9 ai W/m2K 59 500 λ W/mK 0,39 65 a (buis) - 0,25 0,25 a' (buis) - 0,5 0,5

Xmax m 3,2.10-4 0.025 Q W/m2 1440 11250

De voor het conventionele geval resulterende diameter 0,64 mm is zo gering dat op deze wijze geen reactor kan worden uitgevoerd. Het enige alternatief is dan ook het in serie schakelen van een drietal adiabatische reactoren waar het gas met een temperatuur van 200°C intreedt en waar, door de reactie, de temperatuur stijgt tot 300°C. Na elke adiabatische reactor moet een warmtewisselaar worden geschakeld waarin de temperatuur weer tot 200°C wordt afgekoeld.

VQorb.ee,Ld...4.

Een conventionele ethyleenoxidatie-reactor bestaat uit 20.000 buizen met een diameter van .02 m. Aangezien het gas er met hoge snelheid doorheen wordt geblazen (20 m/s) wordt de warmteoverdrachtscoëfficiënt voornamelijk door deze snelheid bepaald. De waarde voor ai kan dan worden geschat op 1000 W/m2K. λ is geschat op 0,39 W/mK.

Met behulp van de formule waarmee xmax wordt berekend kan omgekeerd ook het, niet in de open literatuur bekende, ΔΤ quotiënt “ m δ = 6,91.10-5 worden berekend.

Met behulp van de waarden voor sintermetaal dat uit aluminium bestaat met ai = -500 W/m2K en λ = 65 W/mk volgt voor een reactie volgens de uitvinding: xmay = .0567 m.

De diameter van deze buizen zouden dan 11.3 cm zijn. Dit betekent dat in plaats van 20.000 buizen er slechts 630 benodigd zouden zijn.

Claims (11)

1. Werkwijze voor het uitvoeren van een chemische reactie in aanwezigheid van een heterogene katalysator, waarin een voeding geleid wordt door een katalytische reactor, welke reactor tenminste omvat een vast reactorbed met daarop aanwezig een katalytisch actief materiaal, en tenminste één warmte toe- en/of afvoerende reactorwand en waarbij het katalysatorbed bestaat uit aan elkaar en aan één zijde van de wand gesinterde elementaire deeltjes materiaal, waarbij geen gesinterd materiaal aanwezig is aan de andere zijde van de reactorwand, en waarbij de maximale afstand in meter (xmax) van enig punt van het reactorbed tot een dichtsbijzijnde warmte toe- en/of afvoerende wand bepaald wordt door de formule:

waarin λ de effectieve warmtegeleidingscoefficient in W/mk van het gesinterde materiaal is en een waarde tussen 2 en 250 heeft; ai de warmteoverdrachtscoefficient in W/m2k aan de reactorzijde van de warmte toe- en/of afvoerende reactorwand is en gelijk is aan ε α, waarin ε een waarde tussen 1,0 en 10 heeft en α de warmteoverdrachtscoefficient is aan de warmte toe- en/of afvoerende reactorwand van het reactorbed in niet-gesinterde toestand; Aïmax gemeten over een radiale doorsnede door het reactorbed de absolute waarde van het temperatuurverschil is tussen enig punt op deze doorsnede en de meest nabije warmte toe- en/of afvoerende reactorwand, waarvan de maximaal toelaatbare waarde, afhankelijk van het type reactie en het reactormateriaal, tussen 1 en 1000 K ligt; a een vormfactor is welke alleen bepaald wordt door de geometrische vorm van de reactor en een waarde tussen 0,25 en 0,5 heeft; a' een vormfactor is welke de verhouding weergeeft tussen het oppervlak van de reactordoorsnede en de warmtewisselende omtrek van deze reactordoorsnede vermenigvuldigd met xmax en een waarde tussen 0,5 en 1 heeft;en q de in het reactorbed gegenereerde maximale reactiewarmte in W/m3 is, welke in radiale richting door de wand toe- en/of afgevoerd moet worden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de maximale afstand in meter (Xmax ) van enig punt van het reactorbed tot een dichtsbijzijnde warmte toe- en/of afvoerende wand bepaald wordt door de formule:

waarin a, a', λ, ATmay en ai de hierboven beschreven betekenis hebben en Q de in radiale richting getransporteerde warmte per m2 reactorwand is

3. Werkwijze volgens conclusies 1-2, waarin de elementaire deeltjes in hoofdzaak isotroop zijn.

4. Werkwijze volgens conclusies 1-2, waarin de elementaire deeltjes bestaan uit draden of vezels.

5. Werkwijze volgens conclusies 1-4, waarin de chemische reactie sterk exotherm of sterk endotherm is.

6. Werkwijze volgens conclusie 5 waarin de chemische reactie een katalytische verbranding, een ethyleenoxide-bereiding, een NH3~synthese of een selectieve H2S-oxidatie is.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, waarin een gasmengsel dat meer dan 3 vol.% H2S bevat aan een selectieve H2S oxydatie, waarbij H2S in hoofdzaak tot zwavel wordt omgezet, onderworpen wordt.

8. Katalytische reactor voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een of meer der conclusies 1-7, omvattende een vast reactorbed met daarop aanwezig een katalytisch actief materiaal, en tenminste één warmte toe- en afvoerende reactorwand en waarbij het reactorbed bestaat uit aan elkaar en aan één zijde van de wand gesinterde elementaire deeltjes materiaal, waarbij geen gesinterd materiaal aanwezig is aan de andere zijde van de reactorwand en waarbij de maximale afstand in meter (xmax) van enig punt van het reactorbed tot een dichtsbijzijnde warmte toe- en/of afvoerende wand bepaald wordt door de formule:

waarin λ de effectieve warmtegeleidingscoefficient in W/mk van het gesinterde materiaal is en een waarde tussen 2 en 250 heeft; ai de warmteoverdrachtscoefficient in W/m2k aan de reactorzijde van de warmte toe- en/of afvoerende reactorwand is en gelijk is aan ε α, waarin ε een waarde tussen 1,0 en 10 heeft en α de warmteoverdrachtscoefficient is aan de warmte toe- en afvoerende reactorwand van het reactorbed in niet-gesinterde toestand; ATmax gemeten over een radiale doorsnede door het reactorbed de absolute waarde van het temperatuurverschil is tussen enig punt op deze doorsnede en de meest nabije warmte toe- en/of afvoerende reactorwand, waarvan de maximaal toelaatbare waarde, afhankelijk van het type reactie en het reactormateriaal, tussen l.en 1000 K ligt; a een vormfactor is welke alleen bepaald wordt door de geometrische vorm van de reactor en een waarde tussen 0,25 en 0,5 heeft; a' een vormfactor is welke de verhouding weergeeft tussen het oppervlak van de reactordoorsnede en de warmtewisselende omtrek van deze reactordoorsnede vermenigvuldigd met xmax en een waarde tussen 0,5 en 1 heeft;en q de in het reactorbed gegenereerde maximale reactiewarmte in W/m3 is, welke in radiale richting door de wand toe- en/of afgevoerd moet worden.

9. Katalytische reactor volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de maximale afstand in meter (xmax ) van enig punt van het reactorbed tot een dichtsbijzijnde warmte toe- en/of afvoerende wand bepaald wordt door de formule:

waarin a, a', λ, ATmax en ai de hierboven beschreven betekenis hebben en Q de in radiale richting getransporteerde warmte per m2 reactorwand is

10. Werkwijze voor het vervaardigen van het katalysator-systeem volgens conclusies 8-9, met het kenmerk, dat men een dispersie van het katalytisch actief materiaal in een vloeistof aanbrengt op de vast verbonden elementaire lichamen, waarbij vervolgens de viscositeit van de dispersie verhoogd wordt.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat men een dispersie toepast die agar bevat, welke dispersie bij verhoogde temperatuur op de vast verbonden elementaire lichamen gebracht wordt en welke dispersie vervolgens afgekoeld wordt.