WO2003002245A1 - Reactor for heterogeneous catalytic reactions and method using said reactor - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a reactor for heterogeneous catalytic reactions and a method using this reactor.
- the present invention relates to a radial flow reactor for heterogeneous catalytic reactions, a reactor in which the catalyst is moved through the reaction zone (so-called “moving bed reactor”), and heterogeneously catalyzed gas phase reactions, in particular processes carried out adiabatically, and an adiabatic process for the dehydrogenation of hydrocarbons using such a moving bed reactor.
- Moving bed reactors are used primarily in those processes in which the catalytic properties of the catalyst deteriorate significantly (for example loss of activity and / or selectivity) in a comparatively short time.
- the catalyst is introduced into the moving bed reactor, where it is moved through the reaction zone and catalyzes the reaction carried out in the reactor, with its catalytic properties deteriorating.
- the catalyst is removed from the reactor at the outlet thereof. If possible in individual cases, its initial good catalytic properties are advantageously restored by regeneration, whereupon the catalyst can be reintroduced into the moving bed reactor.
- a fluidized bed reactor is to be understood as a reactor in which comparatively finely divided catalyst is fluidized by the fluid reaction medium, that is to say it moves with and through the reaction medium.
- the solid and the gaseous or liquid contents of a fluidized bed reactor ideally each have the residence time distribution in an ideal stirred tank, and ideally the content of each individual volume element of the reaction zone is composed completely identically.
- the movements or flows of the solid, generally lumpy catalyst and the fluid reaction medium are essentially decoupled.
- the catalyst is moved through the reactor, for example by gravity within one of for the reaction medium-permeable walls of a limited vertical container or on a horizontal motor-driven belt that is permeable to the reaction medium.
- the catalyst In a moving bed reactor, the catalyst ideally moves through the reactor with the residence time characteristic in an ideal flow tube.
- the reaction medium flows through the catalyst, it is normally not significantly moved by this flow.
- stirred tank residence time characteristic and a flow tube residence time characteristic can be technically implemented for the reaction medium in the moving bed reactor.
- moving bed reactors have to be operated with catalysts which can withstand the mechanical stresses in the moving bed and are generally operated adiabatically since the arrangement of cooling or heating devices in the moving catalyst bed would in most cases hinder or even prevent the movement of the catalyst.
- Reactions that are typically carried out in moving bed reactors are mostly those in which the catalyst gradually loses its activity due to the formation of deposits thereon.
- undesirable side reactions on the catalyst can form substances which are not volatile under the reaction conditions and therefore collect on the catalyst or in its pore system and gradually block its catalytically active centers. The catalyst is deactivated.
- Examples of such reactions are the catalytic dehydrogenation of alkanes to olefins and the reforming of hydrocarbons, in each of which the catalyst is deactivated by coke deposits.
- FIG. 1 shows a simplified longitudinal section through a basic design of a known moving bed reactor for heterogeneously catalyzed gas phase reactions, as is disclosed, for example, in addition to the use of such a reactor for reforming reactions in US Pat. No. 3,647,680.
- the catalyst is located in a catalyst bed 5 in the form of a hollow cylinder, which is delimited by two nested, cylindrical perforated catalyst baskets 10 and 20 (boundary walls of the catalyst bed are usually referred to as "catalyst baskets" or "screens”) of different diameters.
- the lumpy catalyst moves through gravity from top to bottom through the catalyst bed 5 due to its flowability, is removed from it at one or more outlets (two outlets 4 and 4 'are shown), fed to regeneration, and regenerated catalyst is at the top one or more inlets (two inlets 2 and 2 'are shown) again abandoned.
- the two catalyst baskets are located within a cylindrical reactor delimited by a reactor wall 30, so that a cylindrical cavity is delimited inside and from the inner catalyst basket and a further hollow cylindrical cavity is delimited from and between the inner wall of the reactor and the outer catalyst basket.
- the reaction medium enters the reactor at an inlet 1, flows radially through the catalyst bed 5 from one of these cavities into the other, and leaves the reactor at the outlet 3.
- the reaction medium can also enter the reactor at 3 and leave it at 1; in one case the gas flow is centrifugal and in the other centripetal.
- US-A-3, 647, 680 also teaches that multi-stage reactor cascades can be used through which the catalyst and reaction medium are passed step by step.
- US-A-3, 978, 150 and US-A-4, 869, 808 teach the use of moving bed reactors of this type for the dehydrogenation of alkanes.
- US-A-5,209, 908 and US-A-5, 366,704 disclose a variant of the basic design of moving bed reactors in which the outer boundary of the approximately hollow cylindrical catalyst bed is formed by the inner wall of the reactor. In this design, the reaction gas mixture is removed or supplied through gas collection tubes of approximately semi-cylindrical shape, which are guided along the inner wall of the reactor through the catalyst bed.
- a general problem when carrying out reactions in moving bed reactors is catalyst abrasion, which not only leads to catalyst losses and material abrasion, but also to blockage of the comparatively fine perforations in the catalyst baskets with catalyst particles which are present in these Forations can also catalyze undesirable reactions (eg coke formation, reactor fouling).
- a reactor for heterogeneous catalytic reactions which is characterized in that expansion volumes for the catalyst are set up in at least one catalyst basket.
- Methods for carrying out chemical reactions using the reactor according to the invention have also been found.
- the catalyst can escape into the expansion volumes under mechanical stress, which is caused, for example, by thermal stress.
- mechanical stress which is caused, for example, by thermal stress.
- the pressure on the catalyst and the catalyst baskets that builds up in the catalyst bed is at least partially reduced, which reduces the mechanical load on the catalyst and, consequently, the catalyst wear. This results in less catalyst loss and clogging of perforations in the catalyst baskets is also reduced; damage to the catalyst baskets is also avoided.
- Expansion spaces for the catalyst in the catalyst baskets can be set up in a very simple manner by attaching at least one hollow body, but preferably a large number of hollow bodies distributed over the entire area of the catalyst basket, to the catalyst basket on the side facing away from the catalyst bed, but with an open passage to the catalyst bed that they are partially empty during normal operation of the reactor, so they are not automatically filled by the catalyst due to gravity.
- the hollow bodies have volume elements which are spatially above that part of their volume which is filled with catalyst in normal operation.
- the catalyst always takes up a finite part of the volume of these hollow bodies, since it slides into the hollow body with its specific angle of repose from the upper edge of the passage in the catalyst basket which leads to the hollow body.
- the angle of repose ⁇ of the catalytic converter is the angle between the conical surface of a cone of free material which is filled up freely on a flat base surface from the catalyst particles and the flat base surface.
- the angle of repose is substance-specific and can be measured very easily.
- the hollow bodies are preferably shaped in such a way that when the volume between the catalyst baskets expands, the catalyst completely or at least partially slides back out of the expansion space into the actual catalyst bed (ie the volume filled with catalyst during normal operation of the reactor).
- the total volume of the hollow bodies, which is not filled with catalyst in normal operation, is normally dimensioned in such a way that it is at least as large as the volume decrease of the actual catalyst bed with the greatest expected temperature jump downwards.
- the hollow bodies are either permeable to the reaction gas mixture or not. Provided that they are dimensioned large enough so that no catalyst can slip out of the hollow bodies even in the event of a strong volume contraction of the catalyst bed, or alternatively devices are provided in the reactor for collecting such "overflowed" catalyst, the hollow bodies can be open at the top.
- hollow bodies are tubes or boxes attached to the catalyst basket with an open passage to the catalyst bed, preferably horizontally or diagonally upwards.
- a further embodiment is horizontal, completely or partially circumferential cutouts in the catalyst basket, in front of which profiles are placed in the manner of a balcony, preferably with a floor inclined towards the catalyst bed, which provide the expansion space but prevent the catalyst from flowing out freely ,
- the diameters or the smallest distances between the boundaries of these open passages are greater than four times, preferably at least ten times the largest main dimension of a single catalyst particle.
- the smallest open passage of 30 mm or 60 mm can be selected.
- At least one boundary of the catalyst bed is formed by at least two staggered conical or polygonal-shaped walls, between which there is an open passage.
- Figure 2 shows a simplified longitudinal section through a reactor according to the invention in a basic design with several - not necessarily drawn to scale - frustoconical staggered walls (e.g. 40, 40 '), which except for the inner catalyst basket with the known reactor shown in Figure 1 is identical; the same reference numerals designate identical parts of the reactors shown.
- a moving bed reactor is shown, but the principle according to the invention also applies to fixed bed reactors of the same type, but in which there are no outlets and inlets for the catalyst which is continuously moved by the reactor.
- Figure 3 shows an equally simplified longitudinal section through another embodiment of the reactor according to the invention, in which the reaction gas mixture is introduced at the bottom of the reactor.
- the inner boundary of the catalyst bed, that is to say the inner catalyst basket, in the illustrated reactor according to the invention is formed by staggered conical or truncated-polygonal walls 40 (hereinafter referred to simply as “cones” or in the majority “cones”).
- polygon stump is understood to mean a three-dimensional geometric body which has a polygon with three or more corners as the base surface and whose tip lying outside the base surface is cut off.
- a "triangular stump” is accordingly a tetrahedral stump, a "quadrangular stump” a pyramid stump, etc., and a truncated cone with its circular base corresponds to a polygonal stump with an infinite number of corners.
- the cones 40 are permeable or impermeable to the reaction medium. Permeability is achieved, if desired, through perforations or openings in the walls of the cones 40, for example through slits, perforations or holes.
- the size of the perforations or openings in the cone walls is so chosen that catalyst particles can not pass through, preferably the largest clear width of the openings is at most half as large as the smallest main dimension (the expansion of a geometric body in one of three perpendicular spatial directions) of a single particle of the particle-shaped catalyst used (e.g. Diameter for spherical or strand-shaped particles or height for catalyst tablets).
- the cones are preferably impermeable to the reaction medium; in this way the reaction medium between the cones is led into and / or out of the catalyst bed.
- the outer catalyst basket can also be designed in a completely analogous manner with expansion volumes.
- it can be designed in the form of at least two staggered cones. It is also possible to use only one catalyst basket, designed according to the invention, and to either introduce the reaction gas mixture into the catalyst bed or withdraw it from it through perforated hollow bodies such as, for example, tubes which are located in the catalyst bed.
- the cones are arranged in the reactor in such a way that for cones which serve to limit the catalyst bed inwards, the smaller opening points upwards and for cones which serve to limit the catalyst bed to the outside the larger opening points upwards. They are arranged in stages.
- a staggered arrangement is to be understood as an arrangement in which the upper edge of a cone is arranged at least as high below or within the cone above that the catalyst located in the catalyst bed does not flow continuously over this upper edge. In individual cases, this depends on the distance from the upper and lower edge and the angle of repose ⁇ of the catalyst used for the reaction carried out in the reactor.
- the upper edge of the lower cone 40 'must lie at least at the level of the lateral surface of an imaginary cone standing on the tip, which lies all around on the lower edge of the upper cone 40 and an angle of 90 ° between the cone shell and the central cone axis. ⁇ has.
- the cone standing on the tip includes the points on the base surface of the polygon stump that correspond to the smallest possible diameter of this base surface of the polygon stump. If the upper edge of the lower cone 40 'were lower, catalyst would continuously flow over this upper edge into the central interior or flow around the outer annulus of the reactor, which in general removes it undesirably from the reaction.
- each cone (with the exception of the uppermost one) is preferably at least at the level of the lower edge of the cone above it.
- the upper edge of each cone (with the exception of the uppermost one) lies above the height of the lower edge of the cone lying above it, so there is a certain height overlap of the cones.
- the reactor does not interfere with the operation of the reactor according to the invention if, in certain operating states - for example when the reactor is being heated - a certain amount of catalyst flows over the top edge of individual or all cones into the central interior of the reactor.
- the lower boundary 50 of the central interior can be designed as a cone with the tip facing upwards, the base of which adjoins the upper edge of the lowest cone, as a result of which catalyst overflowing further up is returned to the cavity between the lowest and the second lowest cone, approximately as is shown in Figure 3.
- this cone is provided with an opening for the reaction gas mixture, which, of course, is closed by the cone tip when the reaction gas mixture is introduced elsewhere into the reactor.
- the lower limit 50 can also be arranged below the upper edge of the lowest cone.
- the length of the cones i.e. the height of the truncated cone or n-corner
- the cone angle K is the angle that the corresponding truncated cone shell forms with the central axis of the truncated cone, or the largest analogue angle of a polygonal stump
- the catalyst used for the reaction carried out in the reactor with the temperature increases occurring during this reaction normally operation, start-up and shutdown) and in the event of malfunctions
- the length of the cones and thus also their number is chosen so that a sufficient number of openings between two cones is available for the expansion of the catalyst.
- a catalyst which has a high internal friction of the catalyst particles i.e. a high friction of the particles against one another
- the minimum number of cones required in a catalyst basket is two. In general, however, a large number of cones are used for a typical reactor basket of an industrial reactor, for example at least 10, preferably at least 50, and particularly preferably at least 100 cones.
- the length of the cones also results from the desired thickness of the catalyst bed:
- a catalyst bed that is the same thickness over the entire height of the reactor requires cones that are exactly aligned in the reactor axis. If the cones are to be aligned exactly, their length is automatically determined by the selected cone angle and the selected height overlap.
- the pressure drop and the residence time of the reaction gas mixture in the catalyst bed can thus be changed in a simple manner as a function of the vertical position of the relevant point in the catalyst bed.
- a moving bed reactor it can be advantageous to make a lower region of the catalyst bed thicker at the lower end of the reactor in order to compensate for a loss of activity of the catalyst over its residence time in the reactor by a longer residence time of the reaction gas mixture in this lower region of the catalyst bed.
- the height overlap of the cones essentially determines the available expansion space, which is equal to the sum of all volume elements, each from the level of the upper edge of a cone lying below, but overlapping with the cone above, the level of the lower edge of the cone above and the between cone lateral surfaces lying at these planes are formed, plus the sum of those volume elements which, below the plane of the lower edge of the cone above, due to the angle of repose ⁇ different from 0 of the catalytic converter remain free of catalyst.
- the total expansion space should be at least as large as the difference between the volume expansion of the catalyst in the reactor and the actual catalyst bed at the greatest temperature increase that occurs during operation of the reactor (including start-up and shutdown as well as malfunctions), but also at least as large as the difference of Volume contraction of the catalyst bed and the catalyst located in the reactor at the greatest temperature drop occurring during operation of the reactor (including start-up and shutdown as well as malfunctions).
- the expansion volume is preferably chosen to be somewhat larger, for example at least 1.5 times or at least twice these differences in volume expansion or contraction. Too high an expansion volume is technically not a disadvantage, but enlarges the reactor unnecessarily and is therefore not desirable from an economic point of view.
- the cone angle K is chosen so that the catalyst can slide on the cone.
- the cone angle K is chosen such that the catalyst flows out of the mass flow on the cone, that is to say catalyst particles which are in direct contact with a cone do not have significantly longer dwell times in the reactor than catalyst particles in the middle of the catalyst bed.
- the angle of inclination of a silo discharge funnel towards the vertical thus corresponds to the cone wi n K of a cone in the outer catalyst basket of a reactor according to the invention, while the cone angle K of a cone in the inner catalyst basket of a reactor according to the invention is accordingly (180 ° - ⁇ ).
- the angle of inclination ⁇ p rak i sch to be used in practice of a silo discharge funnel equivalent to a cone in the reactor according to the invention which corresponds to the angle K or (180 ° -K) of an outer or inner cone in the reactor according to the invention, respectively, becomes at most as large as the limit value chosen for the angle ⁇ at which the transition between mass flow and core flow takes place when the catalyst used flows out through this silo outlet funnel, which is equivalent to a cone.
- the angle ⁇ is selected to be smaller at least 3 ° prakt than this critical angle i sch. This critical angle in turn depends on the so-called wall friction angle ⁇ and the so-called effective friction angle ⁇ e .
- the cone angle K of a cone in the outer catalyst basket is chosen such as the angle ⁇ pr kt i sch
- the cone angle K of a cone in the inner catalyst basket is selected as the angle (180 ° - ⁇ practically ).
- the cone angle is at most 30 °, for catalysts with very high internal friction and / or wall friction also at most 20 ° or at most 15 °. It is not necessary that the cone angle as a function of the cone length is constant (ie, the cones can certainly have individual sections with a larger or smaller cone angle, that is to say, in turn, be composed of individual truncated cones or polygonal stumps with different cone angles) in this In this case, however, the largest available cone angle is chosen at least so small that the catalytic converter can slip out of the cone.
- the upper and lower opening cross sections of the cones result on the one hand from the selected cone lengths, the selected cone angles and the selected height overlap of the cones and on the other hand are determined by the chosen reactor diameter, more precisely, by the chosen diameter of the central reactor interior and / or the outer annulus of the reactor determined around the outer catalyst basket.
- this central interior and / or the outer annulus are chosen not larger than is necessary for the structure for fastening and arranging the cones of the inner and / or outer catalyst baskets and necessary maintenance work (driving on the reactor), since an unnecessarily large reactor is sufficient is not desirable for economic reasons.
- the size of the central interior can be determined by a maximum possible construction height of the reactor with a quantity of catalyst determined by the desired capacity of the reactor and a maximum thickness of the catalyst bed determined for reaction reasons, so that the necessary volume of the catalyst bed can only be achieved with a sufficiently large diameter of the catalyst baskets can be achieved, determined. This is of no importance for the mode of operation of the invention.
- the open passages between the cones are selected such that the catalyst particles can escape into these open passages or flow back out of them when the catalyst volume expands or contracts.
- the open passageways are larger than four times, preferably at least ten times the largest major dimension of a single catalyst particle.
- a cone spacing of 30 mm or 60 mm can be selected.
- the parameters required for determining the length and height overlap of the cones, the cone angle and the spacing of the cones from one another are determined using simple routine tests with the catalyst used for the reaction to be carried out (in the case of supported catalysts, the support without active composition is normally sufficient for these tests, since this determines the bulk properties of the catalyst).
- the angle of repose of a catalyst cone and the angle ⁇ pract i sc of the catalyst on the material selected for the cones are to be determined or determined, and by measuring or calculating the thermal expansion or contraction of the catalyst and the volume change of the catalyst bed in the expected ones Jumps in temperature the necessary expansion volume.
- the cones are produced using methods customary in reactor construction from materials customary in reactor construction, preferably from one
- Material that is sufficiently corrosion-resistant under reaction conditions For example, sheets are deformed to form the cones. If the sheets are to be permeable to the reaction medium, they are provided with slots, perforations or holes, for example by punching. Alternatively, wire nets can also be used, or rods can be attached in parallel to at least two carrier rings of different diameters.
- the individual cones are attached to a suitable support structure, for example on several vertical supports which are distributed in the central reactor interior along the inner opening of the cones, or correspondingly outside the outer catalyst basket along the outer opening of the cones and, if necessary, the cones additionally support with struts.
- Such installation constructions in reactors are easy to carry out for any person skilled in the art.
- the thickness of the catalyst bed which generally corresponds to the distance between the two catalyst baskets, is chosen so that the reaction gas mixture experiences the selected (ie, the desired or the tolerable) pressure loss when it passes through the catalyst bed.
- Another boundary condition which the reactor according to the invention in turn has in common with solid silos is that the catalyst flows in a mass flow between the inner and the outer catalyst basket.
- the known design principles for solid silos, here for the minimum discharge opening of a silo can also be transferred here.
- the smallest distance between the inner and the outer catalyst basket is at least four times, preferably at least ten times the largest main dimension of a single catalyst particle.
- a distance of at least one hundred times the largest main dimension of a single catalyst particle is used.
- a distance between the catalyst baskets of 300 mm is selected.
- the height of the catalyst bed is chosen so that, given the thickness of the catalyst bed in the reactor, there is at least sufficient amount of catalyst available for the desired capacity of the reactor and the desired degree of conversion in the reactor. As already mentioned, the thickness of the catalyst bed can be varied over its height.
- the reactor according to the invention is suitable for carrying out heterogeneously catalyzed reactions, equally for carrying out heterogeneously catalyzed reactions in the liquid phase, the gas phase, or the mixed liquid and gas phase.
- the reactor according to the invention is particularly suitable for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions.
- the particular advantages of the reactor according to the invention occur in particular in reactions with a high degree of heat and in reactions which are carried out at comparatively high temperatures.
- the reactor according to the invention in its embodiment is very particularly suitable as a moving bed reactor for carrying out heterogeneously catalyzed gas-phase reactions such as the reforming of hydrocarbons or the dehydrogenation of alkane hydrocarbons such as propane, butane, pentane, octane or ethylbenzene or hydrocarbon mixtures to give the corresponding alkenes or alkene mixtures.
- heterogeneously catalyzed gas-phase reactions such as the reforming of hydrocarbons or the dehydrogenation of alkane hydrocarbons such as propane, butane, pentane, octane or ethylbenzene or hydrocarbon mixtures to give the corresponding alkenes or alkene mixtures.
- the catalyst is filled into the catalyst bed and the feed mixture is passed at one or more inlet ports either into the central interior of the reactor or the exterior between the outer catalyst basket and the reactor wall.
- the feed mixture flows radially from the inside to the outside of the catalyst bed or from the outside in, and the product mixture, if the feed mixture has been passed from the inside to the outside, from the outside space between the outer catalyst basket and the reactor wall, or, if the feed mixture has passed from the outside to the inside was removed from the central reactor interior via one or more outlet ports.
- the lumpy catalyst used for the reaction is arranged in the catalyst bed.
- catalyst is removed from the reactor at the bottom of the catalyst bed from one or more catalyst outlet ports. At the top of the catalyst bed, one or more catalyst inlet ports in the same amount as that taken out below was filled into the catalyst bed.
- the catalyst moves from top to bottom through the reactor by gravity.
- the removal and the addition can be in individual portions, at certain time intervals or as required, for. B. when falling below a certain minimum activity, or continuously.
- the catalyst removed below is usually either regenerated or used in a further reactor in a multi-stage reactor cascade, in individual cases, for example if it can no longer be regenerated, it must also be disposed of.
- the average residence time of the catalyst in the reactor is set via the amount of catalyst withdrawn per unit of time.
- This average residence time is selected such that the catalytic properties of the catalyst filling are overall above satisfactory, reaction-specific values. If, for example, the activity of the catalyst deteriorates with its residence time, the residence time is adjusted so that the desired minimum conversion is achieved in the reactor at the reaction temperature used.
- Preferred chemical reactions which are carried out with the process according to the invention in the reactor according to the invention are the dehydrogenation of hydrocarbons, the generation of synthesis gas and the reforming of hydrocarbons, in particular:
- Figures 4 and 5 represent a simple model arrangement for experimental testing of the selected parameters (length and height overlap of the cones, cone angle K, distance of the cones from one another, material).
- Figure 4 shows a section through a cuboid-shaped container (400 * 300 * 2019 mm ) with a floor discharge funnel (total height 2318 mm), which is made of the material chosen for the cones (here as example V2A steel).
- a slider is attached to the floor (not shown).
- One wall of this box as shown in Figure 4 and is also evident in the front view of Figure 5, is formed by rectangular (300 * 170 mm) sheets arranged in the manner of a blind.
- a solid porous aluminosilicate in the form of spheres with a diameter of 2 to 3 mm, an angle of repose of 17 ° and a slip angle on an inclined plane made of V2A steel was placed in this container with the slide closed up to the height of the upper edge of the discharge funnel as a model substance 10 ° (a commercially available so-called "molecular sieve").
- a pressure sensor (water-filled fabric bag with hose) was placed in the middle of the device, and further molecular sieves were filled into the device in portions of 3-4 kg Build-up pressure was measured by means of the pressure sensor, which initially rose with the fill level, but reached a maximum value of 240 mm water column at a fill level of approximately 1000 mm, which remained constant even at higher fill levels due to the internal friction of the solid spheres Filling levels between the sheets arranged in the manner of blinds were 0-1 mm, measured in each case from the lower edge of the sheet, and showed no dependence on the height.
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Abstract
Description
Reaktor für heterogenkatalytische Reaktionen und Verfahren unter Verwendung dieses ReaktorsReactor for heterogeneous catalytic reactions and processes using this reactor
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor für heterogenkatalytische Reaktionen und ein Verfahren unter Verwendung dieses Reaktors. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Radialstromreaktor für heterogenkatalytische Reaktionen, einen Reaktor, bei dem der Katalysator durch die Reaktionszone bewegt wird (sogenannter "Wanderbettreaktor") , und heterogen katalysierte Gasphasenreaktionen, insbesondere adiabat durchgeführte Verfahren, und ein adiabates Verfahren zur Dehydrierung von Koh- lenwasserstoffen unter Verwendung eines derartigen Wanderbettreaktors .The present invention relates to a reactor for heterogeneous catalytic reactions and a method using this reactor. In particular, the present invention relates to a radial flow reactor for heterogeneous catalytic reactions, a reactor in which the catalyst is moved through the reaction zone (so-called “moving bed reactor”), and heterogeneously catalyzed gas phase reactions, in particular processes carried out adiabatically, and an adiabatic process for the dehydrogenation of hydrocarbons using such a moving bed reactor.
Reaktoren und insbesondere auch Wanderbettreaktoren für heterogenkatalytische Reaktionen sind bekannt. Wanderbettreaktoren wer- den vor allem in solchen Verfahren eingesetzt, bei denen eine signifikante Verschlechterung der katalytischen Eigenschaften des Katalysators (beispielsweise Verlust an Aktivität und/oder Selektivität) in vergleichsweise kurzer Zeit eintritt. Der Katalysator wird in den Wanderbettreaktor eingeführt, wo er durch die Reakti- onszone bewegt wird und die im Reaktor durchgeführte Reaktion katalysiert, wobei sich seine katalytischen Eigenschaften verschlechtern. Der Katalysator wird am Ausgang des Reaktors aus diesem entnommen. Vorteilhafterweise werden, sofern im Einzelfall möglich, seine anfänglichen guten katalytischen Eigenschaften durch Regenerierung wieder hergestellt, worauf der Katalysator wieder von neuem in den Wanderbettreaktor eingeführt werden kann.Reactors and especially moving bed reactors for heterogeneous catalytic reactions are known. Moving bed reactors are used primarily in those processes in which the catalytic properties of the catalyst deteriorate significantly (for example loss of activity and / or selectivity) in a comparatively short time. The catalyst is introduced into the moving bed reactor, where it is moved through the reaction zone and catalyzes the reaction carried out in the reactor, with its catalytic properties deteriorating. The catalyst is removed from the reactor at the outlet thereof. If possible in individual cases, its initial good catalytic properties are advantageously restored by regeneration, whereupon the catalyst can be reintroduced into the moving bed reactor.
Der Begriff "Wanderbettreaktor" ("moving bed reactor") wird im Rahmen dieser Erfindung auch zur Abgrenzung von Wirbelbettreakto- ren ("fluidized bed reactor") gebraucht. Unter einem Wirbelbettreaktor ist ein Reaktor zu verstehen, in dem vergleichsweise fein verteilter Katalysator vom fluiden Reaktionsmedium fluidi- siert wird, sich also mit dem und durch das Reaktionsmedium bewegt. Der feste und der gasförmige oder flüssige Inhalt eines Wirbelbettreaktors weist idealerweise jeweils die Verweilzeitverteilung in einem idealen Rührkessels auf, und idealerweise ist der inhalt jedes einzelnen Volumenelements der Reaktionszone völlig identisch zusammengesetzt. Beim Wanderbettreaktor dagegen sind die Bewegungen oder Strömungen des festen, in der Regel stückigen Katalysators und des fluiden Reaktionsmediums im wesentlichen entkoppelt. Der Katalysator wird durch den Reaktor bewegt, beispielsweise durch Schwerkraft innerhalb eines von für das Reaktionsmedium durchlässigen Wänden begrenzten vertikalen Behälters oder auf einem durch einen Motor bewegten horizontalen und für das Reaktionsmedium durchlässigen Band liegend. Der Katalysator bewegt sich in einem Wanderbettreaktor idealerweise mit der Verweilzeitcharakteristik in einem idealen Strömungsrohr durch den Reaktor. Das Reaktionsmedium durchströmt den Katalysator, im Normalfall wird er dabei durch diese Durchströmung nicht wesentlich bewegt. Für das Reaktionsmedium ist im Wanderbettreaktor sowohl eine Rührkessel-Verweilzeitcharakteristik als auch eine Strömungsrohr-Verweilzeitcharakteristik technisch realisierbar.The term “moving bed reactor” is also used in the context of this invention to delimit fluidized bed reactors (“fluidized bed reactor”). A fluidized bed reactor is to be understood as a reactor in which comparatively finely divided catalyst is fluidized by the fluid reaction medium, that is to say it moves with and through the reaction medium. The solid and the gaseous or liquid contents of a fluidized bed reactor ideally each have the residence time distribution in an ideal stirred tank, and ideally the content of each individual volume element of the reaction zone is composed completely identically. In the case of a moving bed reactor, on the other hand, the movements or flows of the solid, generally lumpy catalyst and the fluid reaction medium are essentially decoupled. The catalyst is moved through the reactor, for example by gravity within one of for the reaction medium-permeable walls of a limited vertical container or on a horizontal motor-driven belt that is permeable to the reaction medium. In a moving bed reactor, the catalyst ideally moves through the reactor with the residence time characteristic in an ideal flow tube. The reaction medium flows through the catalyst, it is normally not significantly moved by this flow. Both a stirred tank residence time characteristic and a flow tube residence time characteristic can be technically implemented for the reaction medium in the moving bed reactor.
Der Vorteil von Wanderbettreaktoren ist, dass auch dann, wenn der Katalysator regelmäßig und vergleichsweise häufig regeneriert werden muss, die Reaktion selbst kontinuierlich geführt werden kann. Bei Durchführung derselben Reaktion am selben Katalysator in einem konventionellen Festbettreaktor müsste stattdessen die Reaktion für die Regenerierung regelmäßig und vergleichsweise häufig unterbrochen werden. Wanderbettreaktoren müssen jedoch mit Katalysatoren betrieben werden, die den mechanischen Beanspruchungen im Wanderbett standhalten, und werden in aller Regel adiabat betrieben, da die Anordnung von Kühl- oder Heizeinrichtungen im bewegten Katalysatorbett in den meisten Fällen die Bewegung des Katalysators behindern oder gar verhindern würde.The advantage of moving bed reactors is that even if the catalyst has to be regenerated regularly and comparatively frequently, the reaction itself can be carried out continuously. If the same reaction was carried out on the same catalyst in a conventional fixed bed reactor, the reaction for the regeneration would instead have to be interrupted regularly and comparatively frequently. However, moving bed reactors have to be operated with catalysts which can withstand the mechanical stresses in the moving bed and are generally operated adiabatically since the arrangement of cooling or heating devices in the moving catalyst bed would in most cases hinder or even prevent the movement of the catalyst.
Reaktionen, die typischerweise in Wanderbettreaktoren durchgeführt werden, sind meist solche, in denen der Katalysator durch Bildung von Ablagerungen darauf allmählich seine Aktivität verliert. Beispielsweise können durch unerwünschte Nebenreaktionen am Katalysator Substanzen gebildet werden, die unter den Reaktionsbedingungen nicht flüchtig sind und sich deshalb auf dem Katalysator oder in seinem Porensystem ansammeln und allmählich dessen katalytisch aktive Zentren blockieren. Der Katalysator desak- tiviert.Reactions that are typically carried out in moving bed reactors are mostly those in which the catalyst gradually loses its activity due to the formation of deposits thereon. For example, undesirable side reactions on the catalyst can form substances which are not volatile under the reaction conditions and therefore collect on the catalyst or in its pore system and gradually block its catalytically active centers. The catalyst is deactivated.
Beispiele für derartige Reaktionen sind die katalytische Dehydrierung von Alkanen zu Olefinen und die Reformierung von Kohlenwasserstoffen, bei denen jeweils der Katalysator durch Koksablagerungen desaktiviert.Examples of such reactions are the catalytic dehydrogenation of alkanes to olefins and the reforming of hydrocarbons, in each of which the catalyst is deactivated by coke deposits.
US-A-5, 406, 014 enthält eine Übersicht über verschiedene technische Verfahren zur katalytischen Dehydrierung von Alkanen und lehrt Maßnahmen, um die bei derartigen Verfahren auftretenden Materialkorrosionsprobleme im Reaktor zu überwinden. Abbildung 1 stellt einen vereinfachten Längsschnitt durch eine grundlegende Bauform eines bekannten Wanderbettreaktors für heterogenkatalysierte Gasphasenreaktionen dar, wie sie beispielsweise neben der Verwendung eines solchen Reaktors für Reformierreaktio- nen in US-A-3 , 647 , 680 offenbart wird. Der Katalysator befindet sich in einem Katalysatorbett 5 der Form eines HohlZylinders, das von zwei ineinandergestellten, zylinderförmigen perforierten Katalysatorkörben 10 und 20 (Begrenzungswände des Katalysatorbetts werden üblicherweise als "Katalysatorkörbe" oder englisch "screens" bezeichnet) von unterschiedlichem Durchmesser begrenzt wird. Der stückige Katalysator bewegt sich aufgrund seiner Rieselfähigkeit durch die Schwerkraft von oben nach unten durch das Katalysatorbett 5, wird unten an einem oder mehreren Auslässen (zwei Auslässe 4 und 4' sind dargestellt) daraus entnommen, einer Regenerierung zugeführt, und regenerierter Katalysator wird oben an einem oder mehreren Einlassen (zwei Einlasse 2 und 2' sind dargestellt) wieder aufgegeben. Die beiden Katalysatorkörbe befinden sich innerhalb eines zylindrischen, von einer Reaktorwand 30 begrenzten Reaktors, so dass innerhalb und vom inneren Katalysatorkorb ein zylindrischer Hohlraum und von und zwischen der Innenwand des Reaktors und dem äußeren Katalysatorkorb ein weiterer, hohlzylindrischer Hohlraum begrenzt wird. Das Reaktionsmedium tritt an einem Einlass 1 in den Reaktor ein, durchströmt das Katalysatorbett 5 radial von einem dieser Hohlräume in den anderen, und verläßt den Reaktor am Auslass 3. Wahlweise kann das Reaktionsmedium auch bei 3 in den Reaktor eintreten und ihn bei 1 verlassen; im einen Fall ist der Gasstrom zentrifugal und im anderen zentripetal .US-A-5, 406, 014 contains an overview of various technical processes for the catalytic dehydrogenation of alkanes and teaches measures to overcome the material corrosion problems in the reactor which occur with such processes. Figure 1 shows a simplified longitudinal section through a basic design of a known moving bed reactor for heterogeneously catalyzed gas phase reactions, as is disclosed, for example, in addition to the use of such a reactor for reforming reactions in US Pat. No. 3,647,680. The catalyst is located in a catalyst bed 5 in the form of a hollow cylinder, which is delimited by two nested, cylindrical perforated catalyst baskets 10 and 20 (boundary walls of the catalyst bed are usually referred to as "catalyst baskets" or "screens") of different diameters. The lumpy catalyst moves through gravity from top to bottom through the catalyst bed 5 due to its flowability, is removed from it at one or more outlets (two outlets 4 and 4 'are shown), fed to regeneration, and regenerated catalyst is at the top one or more inlets (two inlets 2 and 2 'are shown) again abandoned. The two catalyst baskets are located within a cylindrical reactor delimited by a reactor wall 30, so that a cylindrical cavity is delimited inside and from the inner catalyst basket and a further hollow cylindrical cavity is delimited from and between the inner wall of the reactor and the outer catalyst basket. The reaction medium enters the reactor at an inlet 1, flows radially through the catalyst bed 5 from one of these cavities into the other, and leaves the reactor at the outlet 3. Alternatively, the reaction medium can also enter the reactor at 3 and leave it at 1; in one case the gas flow is centrifugal and in the other centripetal.
US-A-3, 647, 680 lehrt auch, dass mehrstufige Reaktorkaskaden verwendet werden können, durch die der Katalysator und das Reaktionsmedium schrittweise geführt werden. US-A-3, 978, 150 und US-A-4, 869, 808 lehren die Verwendung von Wanderbettreaktoren dieser Bauform zur Dehydrierung von Alkanen. US-A-5,209, 908 und US-A-5, 366,704 offenbaren eine Variante der grundlegenden Bauform von Wanderbettreaktoren, bei der die äußere Begrenzung des in etwa hohlzylindrischen Katalysatorbetts von der Reaktorinnenwand gebildet wird. Das Reaktionsgasgemisch wird bei dieser Bauform durch Gassammeirohre von etwa halbzylindrischer Form, die entlang der Reaktorinnenwand durch das Katalysatorbett geführt werden, entnommen oder zugeführt.US-A-3, 647, 680 also teaches that multi-stage reactor cascades can be used through which the catalyst and reaction medium are passed step by step. US-A-3, 978, 150 and US-A-4, 869, 808 teach the use of moving bed reactors of this type for the dehydrogenation of alkanes. US-A-5,209, 908 and US-A-5, 366,704 disclose a variant of the basic design of moving bed reactors in which the outer boundary of the approximately hollow cylindrical catalyst bed is formed by the inner wall of the reactor. In this design, the reaction gas mixture is removed or supplied through gas collection tubes of approximately semi-cylindrical shape, which are guided along the inner wall of the reactor through the catalyst bed.
Ein generelles Problem bei der Durchführung von Reaktionen in Wanderbettreaktoren ist der Katalysatorabrieb, der nicht nur zu Katalysatorverlusten und zu Materialabrasion führt, sondern auch zu Verstopfungen der vergleichsweise feinen Perforationen in den Katalysatorkörben mit Katalysatorpartikeln, die in diesen Per- forationen auch unerwünschte Reaktionen (z.B. Koksbildung, Reaktor-"fouling") katalysieren können. Dies ist bei Reaktionen mit starker Wärmetönung, insbesondere bei adiabater Reaktionsführung besonders gravierend, da TemperaturSchwankungen vor allem beim An- oder Abfahren des Reaktors, die nicht durch Kühl- oder Heizeinrichtungen ausgeglichen werden können, und die damit verbundene thermische Expansion und Kontraktion des Katalysators und der Katalysatorkörbe - insbesondere durch unterschiedliche Expansion oder Kontraktion des inneren und des äußeren Korbs, die ja zumeist nicht dieselbe Temperatur haben oder dieselben Temperatursprünge erfahren - erhebliche mechanische Belastungen im Katalysatorbett und zwischen Katalysator und Katalysatorkörben auftreten. Dadurch wird einerseits der Katalysator gleichsam zermah- len und es entsteht Katalysatorabrieb, andererseits kann der hohe Druck auf die Katalystorkörbe auch zu erheblichen Schäden an den Katalysatorkörben führen. Dieser Effekt tritt bei Festbettreaktoren vergleichbarer Bauart ebenso auf. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Reaktor zu finden, bei dem die mechanischen Belastungen von Katalysator und Katalyatorkörben ins- besondere durch Temperaturschwankungen verringert sind.A general problem when carrying out reactions in moving bed reactors is catalyst abrasion, which not only leads to catalyst losses and material abrasion, but also to blockage of the comparatively fine perforations in the catalyst baskets with catalyst particles which are present in these Forations can also catalyze undesirable reactions (eg coke formation, reactor fouling). This is particularly serious in the case of reactions with a strong exotherm, in particular in the case of adiabatic reaction control, since temperature fluctuations, especially when the reactor is started up or shut down, which cannot be compensated for by cooling or heating devices, and the associated thermal expansion and contraction of the catalyst and the Catalyst baskets - especially due to different expansion or contraction of the inner and outer basket, which mostly do not have the same temperature or experience the same temperature jumps - considerable mechanical loads occur in the catalyst bed and between the catalyst and catalyst baskets. On the one hand, this causes the catalyst to be ground, so to speak, and catalyst abrasion occurs. On the other hand, the high pressure on the catalyst baskets can also cause considerable damage to the catalyst baskets. This effect also occurs in fixed bed reactors of a comparable design. The object of the present invention is therefore to find a reactor in which the mechanical loads on the catalyst and catalyst baskets are reduced, in particular by temperature fluctuations.
Dementsprechend wurde ein Reaktor für heterogenkatalytische Reaktionen gefunden, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in mindestens einem Katalysatorkorb Expansionsvolumina für den Katalysa- tor eingerichtet sind. Ebenso wurden Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Reaktors gefunden.Accordingly, a reactor for heterogeneous catalytic reactions has been found, which is characterized in that expansion volumes for the catalyst are set up in at least one catalyst basket. Methods for carrying out chemical reactions using the reactor according to the invention have also been found.
Im erfindungsgemäßen Reaktor kann der Katalysator bei mechani- scher Belastung, die beispielsweise durch thermische Belastung hervorgerufen wird, in die Expansionsvolumina ausweichen. Dadurch wird der sich im Katalysatorbett aufbauende Druck auf den Katalysator und die Katalysatorkörbe zumindest teilweise abgebaut, was die mechanische Belastung des Katalysators und in Folge den Kata- lysatorabrieb verringert. Dadurch entsteht weniger Katalysatorverlust, und auch Verstopfungen von Perforationen in den Katalysatorkörben werden verringert; ebenso werden Schäden an den Katalysatorkörben vermieden.In the reactor according to the invention, the catalyst can escape into the expansion volumes under mechanical stress, which is caused, for example, by thermal stress. As a result, the pressure on the catalyst and the catalyst baskets that builds up in the catalyst bed is at least partially reduced, which reduces the mechanical load on the catalyst and, consequently, the catalyst wear. This results in less catalyst loss and clogging of perforations in the catalyst baskets is also reduced; damage to the catalyst baskets is also avoided.
Expansionsräume für den Katalysator in den Katalysatorkörben können auf sehr einfache Weise eingerichtet werden, indem am Katalysatorkorb auf der vom Katalysatorbett abgewandten Seite, aber mit offenem Durchgang zum Katalysatorbett mindestens ein Hohlkörper, vorzugsweise jedoch eine Vielzahl über die Gesamtfläche des Kata- lysatorkorbs verteilter Hohlkörper so angebracht werden, dass sie im Normalbetrieb des Reaktors teilweise leer sind also nicht automatisch durch die Schwerkraft vom Katalysator gefüllt werden. Die Hohlkörper weisen dazu Volumenelemente auf, die räumlich oberhalb desjenigen Teils ihres Volumens, welcher im Nor albe- trieb mit Katalysator gefüllt ist, liegen. Der Katalysator nimmt stets einen endlichen Teil des Volumens dieser Hohlkörper ein, da er von der Oberkante des Durchgangs im Katalysatorkorb, der zum Hohlkörper führt, mit seinem spezifischen Böschungswinkel in den Hohlkörper rutscht. (Der Böschungswinkel α des Katalysators ist der Winkel zwischen dem Kegelmantel eines Schüttkegels, der frei auf einer ebenen Basisfläche aus den Katalysatorpartikeln aufgeschüttet wird, und der ebenen Basisfläche. Der Böschungswinkel ist stoffspezifisch und sehr einfach meßbar.) Vorzugsweise sind die Hohlkörper so geformt, dass der Katalysator bei einer Expansion des Volumens zwischen den Katalysatorkörben wieder vollständig oder zumindest teilweise aus dem Expansionsraum zu- rück in das eigentliche Katalyatorbett (d.h. , das im Normalbetrieb des Reaktors mit Katalysator gefüllte Volumen) rutscht.Expansion spaces for the catalyst in the catalyst baskets can be set up in a very simple manner by attaching at least one hollow body, but preferably a large number of hollow bodies distributed over the entire area of the catalyst basket, to the catalyst basket on the side facing away from the catalyst bed, but with an open passage to the catalyst bed that they are partially empty during normal operation of the reactor, so they are not automatically filled by the catalyst due to gravity. For this purpose, the hollow bodies have volume elements which are spatially above that part of their volume which is filled with catalyst in normal operation. The catalyst always takes up a finite part of the volume of these hollow bodies, since it slides into the hollow body with its specific angle of repose from the upper edge of the passage in the catalyst basket which leads to the hollow body. (The angle of repose α of the catalytic converter is the angle between the conical surface of a cone of free material which is filled up freely on a flat base surface from the catalyst particles and the flat base surface. The angle of repose is substance-specific and can be measured very easily.) The hollow bodies are preferably shaped in such a way that when the volume between the catalyst baskets expands, the catalyst completely or at least partially slides back out of the expansion space into the actual catalyst bed (ie the volume filled with catalyst during normal operation of the reactor).
Das Gesamtvolumen der Hohlkörper, das im Normalbetrieb nicht mit Katalysator gefüllt ist, wird im Normalfall so bemessen, dass es mindestens so groß ist wie der Volumenschwund des eigentlichen Katalysatorbetts beim größten zu erwartenden Temperatursprung nach unten.The total volume of the hollow bodies, which is not filled with catalyst in normal operation, is normally dimensioned in such a way that it is at least as large as the volume decrease of the actual catalyst bed with the greatest expected temperature jump downwards.
Die Hohlkörper sind für das Reaktionsgasgemisch wahlweise durch- lässig oder nicht. Sofern sie ausreichend groß dimensioniert sind, so dass auch bei einer starken Volumenkontraktion des Katalysatorbetts kein Katalysator aus den Hohlkörpern rutschen kann, oder alternativ im Reaktor Vorrichtungen zum Sammeln derartig "übergeströmten" Katalysators vorgesehen werden, können die Hohl- körper nach oben offen sein.The hollow bodies are either permeable to the reaction gas mixture or not. Provided that they are dimensioned large enough so that no catalyst can slip out of the hollow bodies even in the event of a strong volume contraction of the catalyst bed, or alternatively devices are provided in the reactor for collecting such "overflowed" catalyst, the hollow bodies can be open at the top.
Beispiele für derartige Hohlkörper sind waagrecht oder bevorzugt schräg nach oben am Katalysatorkorb angesetzte Rohre oder Kästen mit offenem Durchgang zum Katalysatorbett. Eine weitere Ausfüh- rungsform sind horizontale, ganz oder teilweise umlaufende Ausschnitte im Katalysatorkorb, vor die in der Art eines Balkons, vorzugsweise mit zum Katalysatorbett geneigten Boden, Profile gesetzt sind, die den Expansionsraum zur Verfügung stellen, aber den Katalysator daran hindern, frei auszuströmen.Examples of such hollow bodies are tubes or boxes attached to the catalyst basket with an open passage to the catalyst bed, preferably horizontally or diagonally upwards. A further embodiment is horizontal, completely or partially circumferential cutouts in the catalyst basket, in front of which profiles are placed in the manner of a balcony, preferably with a floor inclined towards the catalyst bed, which provide the expansion space but prevent the catalyst from flowing out freely ,
Im allgemeinen sind die Durchmesser oder die kleinsten Abstände zwischen Begrenzungen dieser offenen Durchgänge größer als das vierfache, vorzugsweise mindestens das zehnfache der größten Hauptabmessung eines einzelnen Katalysatorpartikels . Bei kugel- för igen Katalysatorpartikeln mit einem Durchmesser von 2 bis 3 mm kann beispielsweise ein kleinster offener Durchgang von 30 mm oder 60 mm gewählt werden.In general, the diameters or the smallest distances between the boundaries of these open passages are greater than four times, preferably at least ten times the largest main dimension of a single catalyst particle. With spherical catalyst particles with a diameter of 2 to 3 mm, for example, the smallest open passage of 30 mm or 60 mm can be selected.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird mindestens eine Begren- zung des Katalysatorbetts durch mindestens zwei gestaffelte ke- gel- oder vieleckstumpfförmige Wände gebildet wird, zwischen denen ein offener Durchgang besteht. Vorzugsweise werden mehr als zwei derartige kegelstumpfförmige gestaffelte Wände verwendet, zwischen denen jeweils ein offener Durchgang besteht. Im folgen- den werden die Auslegungsprinzipien für diese bevorzugte Ausführungsform detailliert dargestellt, die Prinzipien gelten jedoch genauso für den allgemeinen Fall von Katalysatorkörben mit Expansionsvolumina.In a preferred embodiment, at least one boundary of the catalyst bed is formed by at least two staggered conical or polygonal-shaped walls, between which there is an open passage. Preferably more than two such frusto-conical staggered walls are used, between each of which there is an open passage. The design principles for this preferred embodiment are described in detail below, but the principles apply equally to the general case of catalyst baskets with expansion volumes.
Abbildung 2 zeigt einen vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Reaktor in einer grundlegenden Bauform mit mehreren - nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellten - kegelstumpfförmigen gestaffelten Wänden (z. B. 40, 40'), der bis auf den inneren Katalysatorkorb mit dem in Abbildung 1 dargestellten bekannten Reaktor identisch ist; gleiche Bezugszeichen bezeichnen identische Teile der abgebildeten Reaktoren. Dargestellt ist ein Wanderbettreaktor, das dargestellte erfindungsgemäße Prinzip gilt jedoch ebenso für bauartgleiche Festbettreaktoren, bei denen jedoch keine Aus- und Einlasse für den kontinuierlich durch den Re- aktor bewegten Katalysator vorhanden sind. Abbildung 3 zeigt einen ebenso vereinfachten Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors, bei der das Reaktionsgasgemisch am Boden des Reaktors eingeleitet wird.Figure 2 shows a simplified longitudinal section through a reactor according to the invention in a basic design with several - not necessarily drawn to scale - frustoconical staggered walls (e.g. 40, 40 '), which except for the inner catalyst basket with the known reactor shown in Figure 1 is identical; the same reference numerals designate identical parts of the reactors shown. A moving bed reactor is shown, but the principle according to the invention also applies to fixed bed reactors of the same type, but in which there are no outlets and inlets for the catalyst which is continuously moved by the reactor. Figure 3 shows an equally simplified longitudinal section through another embodiment of the reactor according to the invention, in which the reaction gas mixture is introduced at the bottom of the reactor.
Die innere Begrenzung des Katalysatorbetts, also der innere Katalysatorkorb, im dargestellten, erfindungsgemäßen Reaktor wird durch gestaffelt angeordnete kegel- oder vieleckstumpfförmige Wände 40 gebildet (im Folgenden zur Vereinfachung als "Konus" oder in der Mehrzahl "Konen" bezeichnet) . Unter "Vieleckstumpf" wird im Rahmen dieser Erfindung ein dreidimensionaler geometrischer Körper verstanden, der ein Vieleck mit drei oder mehr Ecken als Bodenfläche aufweist, und dessen außerhalb der Bodenfläche liegende Spitze abgeschnitten ist. Ein "Dreieckstumpf" ist demgemäß ein Tetraederstumpf, ein "Viereckstumpf" ein Pyramidenstumpf, usw. , und ein Kegelstumpf mit seiner kreisförmigen Grundfläche entspricht einem Vieleckstumpf mit unendlich vielen Ecken.The inner boundary of the catalyst bed, that is to say the inner catalyst basket, in the illustrated reactor according to the invention is formed by staggered conical or truncated-polygonal walls 40 (hereinafter referred to simply as "cones" or in the majority "cones"). In the context of this invention, “polygon stump” is understood to mean a three-dimensional geometric body which has a polygon with three or more corners as the base surface and whose tip lying outside the base surface is cut off. A "triangular stump" is accordingly a tetrahedral stump, a "quadrangular stump" a pyramid stump, etc., and a truncated cone with its circular base corresponds to a polygonal stump with an infinite number of corners.
Die Konen 40 sind für das Reaktionsmedium durchlässig oder undurchlässig. Die Durchlässigkeit wird, sofern gewünscht, durch Perforationen oder Öffnungen in den Wänden der Konen 40 erreicht, beispielsweise durch Schlitze, Perforationen oder Löcher. Die Größe der Perforationen oder Öffnungen in den Konuswänden wird so gewählt, dass Katalysatorpartikel nicht hindurchtreten können, vorzugsweise ist die größte lichte Weite der Öffnungen höchstens halb so groß wie die kleinste Hauptabmessung (die Ausdehnung eines geometrischen Körpers in eine von drei senkrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen) eines Einzelpartikels des verwendeten partikelförmigen Katalysators (z. B. Durchmesser bei kugel- oder strangförmigen Partikeln oder Höhe bei Katalysatortabletten) . Vorzugsweise sind die Konen für das Reaktionsmedium undurchlässig; auf diese Weise wird das Reaktionsmedium zwischen den Konen in das und/oder aus dem Katalysatorbett geführt. Bei dieser Ausführungsform gibt es keine Perforationen oder Schlitze mehr, die mit Katalysatorabrieb verstopfen können, was das Verstopfungsproblem vollständig verhindert.The cones 40 are permeable or impermeable to the reaction medium. Permeability is achieved, if desired, through perforations or openings in the walls of the cones 40, for example through slits, perforations or holes. The size of the perforations or openings in the cone walls is so chosen that catalyst particles can not pass through, preferably the largest clear width of the openings is at most half as large as the smallest main dimension (the expansion of a geometric body in one of three perpendicular spatial directions) of a single particle of the particle-shaped catalyst used (e.g. Diameter for spherical or strand-shaped particles or height for catalyst tablets). The cones are preferably impermeable to the reaction medium; in this way the reaction medium between the cones is led into and / or out of the catalyst bed. In this embodiment, there are no perforations or slots that can clog with catalyst abrasion, which completely prevents the clogging problem.
Der äußere Katalysatorkorb kann in völlig analoger Weise ebenfalls mit Exansionsvolumina ausgeführt werden. Insbesondere und vorzugsweise kann er ebenso wie der innere Katalysatorkorb in Form mindestens zweier gestaffelter Konen ausgeführt werden. Es ist ebenso möglich, nur einen - erfindungsgemäß ausgeführten - Katalysatorkorb zu verwenden, und das Reaktionsgasgemisch durch perforierte Hohlkörper wie beispielsweise Rohre, die im Katalysatorbett liegen, entweder in das Katalysatorbett einzuführen oder daraus abzuziehen.The outer catalyst basket can also be designed in a completely analogous manner with expansion volumes. In particular and preferably, like the inner catalyst basket, it can be designed in the form of at least two staggered cones. It is also possible to use only one catalyst basket, designed according to the invention, and to either introduce the reaction gas mixture into the catalyst bed or withdraw it from it through perforated hollow bodies such as, for example, tubes which are located in the catalyst bed.
Die Konen werden im Reaktor so angeordnet, dass bei Konen, die zur Begrenzung des Katalysatorbetts nach innen dienen, die kleinere Öffnung nach oben zeigt und bei Konen, die zur Begrenzung des Ka- talyatorbetts nach außen dienen, die größere Öffnung nach oben zeigt. Sie werden gestaffelt angeordnet. Unter gestaffelter An- Ordnung ist eine Anordnung zu verstehen, bei der die Oberkante eines Konus mindestens so hoch unter- oder innerhalb des darüber- liegenden Konus angeordnet ist, dass der im Katalysatorbett befindliche Katalysator nicht stetig über diese Oberkante fließt. Dies ist im Einzelfall vom Abstand von Ober- und Unterkante und dem Böschungswinkel α des für die im Reaktor durchgeführte Reaktion verwendeten Katalysators abhängig. Genau gesagt: Die Oberkante des unteren Konus 40' muss mindestens auf der Höhe der Mantelfläche eines auf der Spitze stehenden gedachten Kegels liegen, der an der Unterkante des oberen Konus 40 rundum anliegt und ei- nen Winkel zwischen Kegelmantel und zentraler Kegelachse von 90°-α aufweist. Für Vieleckstümpfe gilt entsprechend, dass der gedachte auf der Spitze stehende Kegel die Punkte auf der Basisfläche des Vieleckstumpfs einschließt, die dem kleinstmöglichen Durchmesser dieser Basisfläche des Vieleckstumpfs entsprechen. Wenn die Ober- kante des unteren Kegels 40' tiefer liegen würde, würde stetig Katalysator über diese Oberkante in den zentralen Innenraum oder den äußeren Ringraum des Reaktors strömen, was ihn im allgemeinen der Reaktion unerwünscht schnell entzieht.The cones are arranged in the reactor in such a way that for cones which serve to limit the catalyst bed inwards, the smaller opening points upwards and for cones which serve to limit the catalyst bed to the outside the larger opening points upwards. They are arranged in stages. A staggered arrangement is to be understood as an arrangement in which the upper edge of a cone is arranged at least as high below or within the cone above that the catalyst located in the catalyst bed does not flow continuously over this upper edge. In individual cases, this depends on the distance from the upper and lower edge and the angle of repose α of the catalyst used for the reaction carried out in the reactor. Strictly speaking: The upper edge of the lower cone 40 'must lie at least at the level of the lateral surface of an imaginary cone standing on the tip, which lies all around on the lower edge of the upper cone 40 and an angle of 90 ° between the cone shell and the central cone axis. α has. For polygon stumps, the cone standing on the tip includes the points on the base surface of the polygon stump that correspond to the smallest possible diameter of this base surface of the polygon stump. If the upper edge of the lower cone 40 'were lower, catalyst would continuously flow over this upper edge into the central interior or flow around the outer annulus of the reactor, which in general removes it undesirably from the reaction.
Vorzugsweise liegt die Oberkante jedes Konus (mit Ausnahme des obersten) mindestens auf der Höhe der Unterkante des darüberlie- genden Konus. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die Oberkante jedes Konus (mit Ausnahme des obersten) oberhalb der Höhe der Unterkante des darüberliegenden Konus, es existiert also eine gewisse Höhenüberlappung der Konen.The upper edge of each cone (with the exception of the uppermost one) is preferably at least at the level of the lower edge of the cone above it. In a particularly preferred embodiment, the upper edge of each cone (with the exception of the uppermost one) lies above the height of the lower edge of the cone lying above it, so there is a certain height overlap of the cones.
Im allgemeinen stört es den Betrieb des erfindungsgemäßen Reaktors nicht, wenn in bestimmten Betriebszuständen - beispielsweise beim Erwärmen des Reaktors - eine gewisse Menge Katalysator über die Oberkante einzelner oder aller Konen in den zentralen Innen- räum des Reaktors strömt. Die untere Begrenzung 50 des zentralen Innenraums kann als Kegel mit der Spitze nach oben ausgebildet werden dessen Basis an die Oberkante des untersten Konus anschließt, wodurch weiter oben überströmender Katalysator wieder in den Hohlraum zwischen dem untersten und dem zweituntersten Ko- nus zurückgeführt wird, etwa wie in Abbildung 3 dargestellt ist. In der in Abbildung 3 dargestellten Ausführungsform ist dieser Kegel allerdings mit einer Öffnung für das Reaktionsgasgemisch versehen, die dann, wenn das Reaktionsgasgemisches an anderer Stelle in den Reaktor eingeführt wird, natürlich durch die Kegel- spitze geschlossen ist. Es ist ebenso möglich, die untere Begrenzung 50 als auf der Spitze stehenden Kegel auszubilden, an dessen Spitze analog zu den Katalysatorauslässen 4 4' der übergelaufene Katalysator abgenommen wird; gegebenenfalls ist auch eine analoge Konstruktion für den äußeren Ringraum des Reaktors um den äußeren Katalysatorkorb vorzusehen. In diesen Fällen kann die untere Begrenzung 50 auch unterhalb der Oberkante des untersten Konus angeordnet sein.In general, it does not interfere with the operation of the reactor according to the invention if, in certain operating states - for example when the reactor is being heated - a certain amount of catalyst flows over the top edge of individual or all cones into the central interior of the reactor. The lower boundary 50 of the central interior can be designed as a cone with the tip facing upwards, the base of which adjoins the upper edge of the lowest cone, as a result of which catalyst overflowing further up is returned to the cavity between the lowest and the second lowest cone, approximately as is shown in Figure 3. In the embodiment shown in Figure 3, however, this cone is provided with an opening for the reaction gas mixture, which, of course, is closed by the cone tip when the reaction gas mixture is introduced elsewhere into the reactor. It is also possible to design the lower limit 50 as a cone standing on the tip, at the tip of which the overflowed catalyst is removed analogously to the catalyst outlets 4 4 '; if necessary, an analogous construction for the outer annular space of the reactor around the outer catalyst basket is also to be provided. In these cases, the lower limit 50 can also be arranged below the upper edge of the lowest cone.
Die Länge der Konen (also die Höhe des Kegel- oder n-Eck- Stumpfs) , die Höhenüberlappung der Konen, der Konuswinkel K (der Konuswinkel ist der Winkel, den der entsprechende Kegelstumpfman- tel mit der zentralen Achse des Kegelstumpfs bildet, oder der größte analoge Winkel eines Vieleckstumpfs) der Konen und damit verbunden ihre oberen und unteren Öffnungsquerschnitte sowie der Abstand der Konen voneinander werden so gewählt, dass der für die im Reaktor durchgeführte Reaktion verwendete Katalysator bei den bei dieser Reaktion auftretenden Temperaturerhöhungen (Normalbetrieb, An- und Abfahren und bei Betriebsstörungen) ein ausreichendes Expansionsvolumen in den offenen Durchgängen zwischen den Konen hat, ohne über die Oberkanten der Konen überzulaufen, und so, dass der Katalysator bei entsprechenden Temperaturschwankun- gen in das Expansionsvolumen einströmen und auch wieder daraus zurückströmen kann.The length of the cones (i.e. the height of the truncated cone or n-corner), the height overlap of the cones, the cone angle K (the cone angle is the angle that the corresponding truncated cone shell forms with the central axis of the truncated cone, or the largest analogue angle of a polygonal stump) of the cones and, associated with this, their upper and lower opening cross sections and the spacing of the cones from one another are selected such that the catalyst used for the reaction carried out in the reactor with the temperature increases occurring during this reaction (normal operation, start-up and shutdown) and in the event of malfunctions) has a sufficient expansion volume in the open passages between the cones, without overflowing over the upper edges of the cones, and so that the catalyst with corresponding temperature fluctuations can flow into the expansion volume and flow back out of it.
Die Länge der Konen und damit auch ihre Anzahl wird so gewählt, dass eine ausreichende Anzahl an Öffnungen zwischen zwei Konen für die Expansion des Katalyators zur Verfügung steht. Ein Katalysator, der eine hohe innere Reibung der Katalysatorpartikel (also eine hohe Reibung der Partikel aufeinander) aufweist, benötigt eine höhere Anzahl von Durchgängen zwischen einzelnen Konen, also auch eine höhere Anzahl Konen, verglichen mit einem Katalysator, der eine niedrige innere Reibung aufweist. Die mindestens notwendige Anzahl von Konen in einem Katalysatorkorb ist zwei . Im allgemeinen wird für einen typischen Reaktorkorb eines industriellen Reaktors allerdings eine Vielzahl von Konen verwendet, beispielsweise mindestens 10, vorzugsweise mindestens 50, und in besonders bevorzugter Weise mindestens 100 Konen.The length of the cones and thus also their number is chosen so that a sufficient number of openings between two cones is available for the expansion of the catalyst. A catalyst which has a high internal friction of the catalyst particles (i.e. a high friction of the particles against one another) requires a higher number of passes between individual cones, that is also a higher number of cones, compared to a catalyst which has a low internal friction. The minimum number of cones required in a catalyst basket is two. In general, however, a large number of cones are used for a typical reactor basket of an industrial reactor, for example at least 10, preferably at least 50, and particularly preferably at least 100 cones.
Die Länge der Konen ergibt sich darüber hinaus auch durch die gewünschte Dicke des Katalyatorbetts : Ein Katalysatorbett, das über die geamte Höhe des Reaktors gleich dick ist, erfordert in Reaktorachse exakt fluchtende Konen. Wenn die Konen exakt fluchtend angeordnet werden sollen, ergibt sich ihre Länge automatisch anhand des gewählten Konuswinkels und der gewählten Höhenüberlappung. Es ist jedoch genauso möglich, die Dicke des Katalysator- betts im erfindungsgemäßen Reaktor in Abhängigkeit der Reaktorhöhe zu verändern. In einfacher Weise wird dies durch entsprechende Wahl der Konuslänge und daher nicht exakt fluchtend angeordneten Konen erreicht. Damit können in einfacher Weise der Druckverlust und die Verweilzeit des Reaktionsgasgemisches im Ka- talysatorbett in Abhängigkeit von der vertikalen Lage der betreffenden Stelle im Katalysatorbett verändert werden. Es kann bei einem erfindungsgemäßen Wanderbettreaktor vorteilhaft sein, einen unteren Bereich des Katalysatorbetts am unteren Ende des Reaktors dicker zu gestalten, um einen Aktivitätsverlust des Katalysators über seine Verweilzeit im Reaktor erfahren hat, durch eine höhere Verweilzeit des Reaktionsgasgemisches in diesem unteren Bereich des Katalysatorbetts auszugleichen.The length of the cones also results from the desired thickness of the catalyst bed: A catalyst bed that is the same thickness over the entire height of the reactor requires cones that are exactly aligned in the reactor axis. If the cones are to be aligned exactly, their length is automatically determined by the selected cone angle and the selected height overlap. However, it is also possible to change the thickness of the catalyst bed in the reactor according to the invention as a function of the reactor height. This is achieved in a simple manner by appropriate choice of the cone length and therefore cones which are not exactly aligned. The pressure drop and the residence time of the reaction gas mixture in the catalyst bed can thus be changed in a simple manner as a function of the vertical position of the relevant point in the catalyst bed. In a moving bed reactor according to the invention, it can be advantageous to make a lower region of the catalyst bed thicker at the lower end of the reactor in order to compensate for a loss of activity of the catalyst over its residence time in the reactor by a longer residence time of the reaction gas mixture in this lower region of the catalyst bed.
Die Höhenüberlappung der Konen bestimmt wesentlich den zur Verfü- gung stehenden Expansionsraum, der gleich der Summe aller Volumenelemente ist, die jeweils von der Ebene der Oberkante eines untenliegenden, aber mit dem darüberliegenden Konus höhenüberlappenden Konus, der Ebene der Unterkante des darüberliegenden Konus und den zwischen diesen Ebenen liegenden Konusmantelflächen ge- bildet werden, zuzüglich der Summe derjenigen Volumenelemente, die unterhalb der Ebene der Unterkante des obenliegenden Konus aufgrund des von 0 verschiedenen Böschungswinkels α des Katalysa- tors von Katalysator frei bleiben. Der gesamte Expansionsraum sollte mindestens so groß sein wie die Differenz der Volumenexpansion des im Reaktor befindlichen Katalysators und des eigentlichen Katalysatorbetts bei der größten beim Betrieb des Reaktors (einschließlich An- und Abfahren sowie Betriebsstörungen) auftretenden Temperaturerhöhung, aber auch mindestens so groß wie die Differenz der Volumenkontraktion des Katalysatorbetts und des im Reaktor befindlichen Katalysators bei der größten beim Betrieb des Reaktors (einschließlich An- und Abfahren sowie Betriebsstö- rungen) auftretenden Temperaturerniedrigung. Vorzugsweise wird das Expansionsvolumen etwas größer gewählt, beispielsweise mindestens das 1,5-fache oder mindestens das Doppelte dieser Differenzen von Volumenexpansion oder -kontraktion. Ein zu hohes Expansionsvolumen ist zwar technisch nicht von Nachteil, vergrößert den Reaktor allerdings unnötig und ist daher aus wirtschaftlicher Sicht nicht wünschenswert.The height overlap of the cones essentially determines the available expansion space, which is equal to the sum of all volume elements, each from the level of the upper edge of a cone lying below, but overlapping with the cone above, the level of the lower edge of the cone above and the between cone lateral surfaces lying at these planes are formed, plus the sum of those volume elements which, below the plane of the lower edge of the cone above, due to the angle of repose α different from 0 of the catalytic converter remain free of catalyst. The total expansion space should be at least as large as the difference between the volume expansion of the catalyst in the reactor and the actual catalyst bed at the greatest temperature increase that occurs during operation of the reactor (including start-up and shutdown as well as malfunctions), but also at least as large as the difference of Volume contraction of the catalyst bed and the catalyst located in the reactor at the greatest temperature drop occurring during operation of the reactor (including start-up and shutdown as well as malfunctions). The expansion volume is preferably chosen to be somewhat larger, for example at least 1.5 times or at least twice these differences in volume expansion or contraction. Too high an expansion volume is technically not a disadvantage, but enlarges the reactor unnecessarily and is therefore not desirable from an economic point of view.
Der Konuswinkel K wird so gewählt, dass der Katalysator auf dem Konus abrutschen kann. Im Prinzip stellt sich bei der Festlegung des Konuswinkels für den erfindungsgemäßen Reaktor dasselbe Problem wie bei der Auslegung eines Auslauftrichters für ein Fest- stoffsilo, aus dem der gelagerte Feststoff im Massenfluss und nicht im Kernfluss zu entleeren ist: Der Konuswinkel K wird so gewählt, dass der Katalysator auf dem Konus im Massenstrom ab- strömt, also Katalysatorpartikel, die direkt im Kontakt mit einem Konus sind, keine wesentlich längeren Verweilzeiten im Reaktor haben als Katalysatorpartikel in der Mitte des Katalysatorbetts. Die Lösung derartiger Auslegungsaufgaben ist Stand der Technik (siehe beispielsweise L. ter Borg: „Einfluß des Wandmaterials auf das Auslaufverhalten von Schüttgütern aus Silos", Chem.-Ing.- Techn. 58 (1986) 588-590; A. C. McLean: „Empirical Critical Flow Factor Equations", Bulk Solids Handling 6 (1986) 779 - 782 und A. W. Jenike: „Gravity Flow of Bulk Solids", Univ. Utah Eng. Exp. Station Bull-, 108, Salt Lake City/Utah 1961). Es ist jedoch bei Anwendung der für Silo-Auslauftrichter bekannten Auslegungsregeln auf Konen im erfindungsgemäßen Reaktor zu beachten, dass ein Konus im inneren Katalysatorkorb eines erfindungsgemäßen Reaktors gegenüber einem Auslauftrichter eines Silos auf dem Kopf steht, und der Katalysator von der zentralen Achse des Konus weg- und nicht wie in einem Silo-Auslauftrichter zu ihr hin rutscht. Der in der einschlägigen Literatur üblicherweise als θ bezeichnete Neigungswinkel eines Silo-Auslauftrichters gegen die Vertikale entspricht also dem Konuswinkel K eines Konus im äußeren Katalysatorkorb eines erfindungsgemäßen Reaktors, während der Konuswinkel K eines Konus im inneren Katalysatorkorb eines erfindungsgemäßen Reaktors dementsprechend (180° - θ) beträgt. Der in der Praxis anzuwendende Neigungswinkel θprakisch eines einem Konus im erfindungsgemäßen Reaktor äquivalenten Silo-Auslauftrichters, der dem Winkel K oder (180° - K) eines äußeren oder inneren Konus im erfindungsgemäßen Reaktor, respektive, entspricht, wird höchstens so groß wie derjenige Grenzwert für den Winkel θ gewählt, bei dem der Übergang zwischen Massen- und Kernfluß beim Ausströmen des verwendeten Katalyators durch diesen einem Konus äquivalenten Silo-Auslauftrichter stattfindet. Vorzugsweise wird der Winkel θpraktisch mindestens 3° kleiner als dieser Grenzwinkel gewählt. Dieser Grenzwinkel hängt seinerseits von dem sogenannten Wandreibungswinkel ς und dem sogenannten effektiven Reibungswinkel φe ab. Diese beiden Winkel sind für den verwendeten Katalysator und den für die Konen verwendeten Werkstoff stoffspezifische Größen, die von der inneren Reibung und der Wandreibung des Kata- lysators abhängen und in einfacher Weise experimentell ermittelt werden (siehe ter Borg; McLean, Jenike, I.e.). Im erfindungsgemäßen Reaktor wird dementsprechend der Konuswinkel K eines Konus im äußeren Katalysatorkorb wie der Winkel θpr ktisch gewählt, und der Konuswinkel K eines Konus im inneren Katalysatorkorb wie der Win- kel (180° - θpraktisch) .The cone angle K is chosen so that the catalyst can slide on the cone. In principle, the same problem arises when determining the cone angle for the reactor according to the invention as when designing an outlet funnel for a solid silo, from which the stored solid is to be emptied in the mass flow and not in the core flow: the cone angle K is chosen such that the catalyst flows out of the mass flow on the cone, that is to say catalyst particles which are in direct contact with a cone do not have significantly longer dwell times in the reactor than catalyst particles in the middle of the catalyst bed. The solution to such design tasks is state of the art (see, for example, L. ter Borg: "Influence of the wall material on the leakage behavior of bulk materials from silos", Chem. Ing. Techn. 58 (1986) 588-590; AC McLean: "Empirical Critical Flow Factor Equations ", Bulk Solids Handling 6 (1986) 779-782 and AW Jenike:" Gravity Flow of Bulk Solids ", Univ. Utah Eng. Exp. Station Bull-, 108, Salt Lake City / Utah 1961). Es However, when applying the design rules known for silo discharge funnels to cones in the reactor according to the invention, it should be noted that a cone in the inner catalyst basket of a reactor according to the invention is upside down relative to an outlet funnel of a silo, and the catalyst moves away from the central axis of the cone does not slip towards it as in a silo discharge funnel. The angle of inclination of a silo discharge funnel towards the vertical, usually referred to as θ in the relevant literature, thus corresponds to the cone wi n K of a cone in the outer catalyst basket of a reactor according to the invention, while the cone angle K of a cone in the inner catalyst basket of a reactor according to the invention is accordingly (180 ° - θ). The angle of inclination θp rak i sch to be used in practice of a silo discharge funnel equivalent to a cone in the reactor according to the invention, which corresponds to the angle K or (180 ° -K) of an outer or inner cone in the reactor according to the invention, respectively, becomes at most as large as the limit value chosen for the angle θ at which the transition between mass flow and core flow takes place when the catalyst used flows out through this silo outlet funnel, which is equivalent to a cone. Preferably, the angle θ is selected to be smaller at least 3 ° prakt than this critical angle i sch. This critical angle in turn depends on the so-called wall friction angle ς and the so-called effective friction angle φ e . For the catalyst used and the material used for the cones, these two angles are substance-specific quantities that depend on the internal friction and the wall friction of the catalyst and are determined experimentally in a simple manner (see ter Borg; McLean, Jenike, Ie). Accordingly, in the reactor according to the invention, the cone angle K of a cone in the outer catalyst basket is chosen such as the angle θ pr kt i sch , and the cone angle K of a cone in the inner catalyst basket is selected as the angle (180 ° - θ practically ).
Typischwerweise beträgt der Konuswinkel höchstens 30°, bei Katalysatoren mit sehr hoher innerer Reibung und/oder Wandreibung auch höchstens 20° oder höchstens 15°. Es ist nicht notwendig, dass der Konuswinkel als Funktion der Konuslänge konstant ist (d.h. , die Konen können durchaus einzelne Abschnitte mit jeweils größerem oder geringerem Konuswinkel aufweisen, also gleichsam ihrerseits aus einzelnen Kegel- oder Vieleckstümpfen mit jeweils unterschiedlichem Konuswinkel zusammengesetzt sein) , in diesem Fall wird jedoch auch der größte vorhandene Konuswinkel mindestens so klein gewählt, dass der Katalysator aus dem Konus rutschen kann.Typically, the cone angle is at most 30 °, for catalysts with very high internal friction and / or wall friction also at most 20 ° or at most 15 °. It is not necessary that the cone angle as a function of the cone length is constant (ie, the cones can certainly have individual sections with a larger or smaller cone angle, that is to say, in turn, be composed of individual truncated cones or polygonal stumps with different cone angles) in this In this case, however, the largest available cone angle is chosen at least so small that the catalytic converter can slip out of the cone.
Die oberen und unteren Öffnungsquerschnitte der Konen ergeben sich einerseits aus den gewählten Konuslängen, den gewählten Konuswinkeln und der gewählten Höhenüberlappung der Konen und werden andererseits durch den gewählten Reaktordurchmesser, genau gesagt, durch den gewählten Durchmesser des zentralen Reaktorinnenraums und/oder des äußeren Ringraums des Reaktors um den äuße- ren Katalysatorkorb bestimmt. Im allgemeinen werden dieser zentrale Innenraum und/oder der äußere Ringraum nicht größer gewählt, als für die Struktur zur Befestigung und Anordnung der Konen der inneren und/oder äußeren Katalysatorkörbe und notwendige Wartungsarbeiten (Befahren des Reaktors) notwendig ist, da ein unnötig großer Reaktor aus wirtschaftlichen Gründen nicht wünschenswert ist. Im Normalfall ist davon auszugehen, dass für das Verteilen oder Sammeln des Reaktionsmediums ein geringeres Volu- men des zentralen Reaktorinnenraums oder des äußeren Ringraums notwendig wäre als diesen mechanischen und Wartungs-Anforderungen entspricht, gelegentlich können jedoch auch reaktionstechnische Anforderungen an die Geometrie des Katalysatorbetts oder Anforde- rungen die Verteilung oder Sammlung des Reaktionsmediums die Mindestgrößen des Reaktorinnenraums und/oder des äußeren Ringraums festlegen. Ebenso kann die Größe des zentralen Innenraums durch eine aus fertigungstechnischen Gründen maximal mögliche Bauhöhe des Reaktors bei durch die gewünschte Kapazität des Reaktors festgelegter Katalysatormenge und aus reaktionstechnischen Gründen festgelegter maximaler Dicke des Katalysatorbetts, so dass das notwenndige Volumen des Katalysatorbetts nur mit ausreichend großem Durchmesser der Katalysatorkörbe erreicht werden kann, bestimmt sein. Für die Wirkungsweise der Erfindung ist dies ohne Bedeutung.The upper and lower opening cross sections of the cones result on the one hand from the selected cone lengths, the selected cone angles and the selected height overlap of the cones and on the other hand are determined by the chosen reactor diameter, more precisely, by the chosen diameter of the central reactor interior and / or the outer annulus of the reactor determined around the outer catalyst basket. In general, this central interior and / or the outer annulus are chosen not larger than is necessary for the structure for fastening and arranging the cones of the inner and / or outer catalyst baskets and necessary maintenance work (driving on the reactor), since an unnecessarily large reactor is sufficient is not desirable for economic reasons. In the normal case, it can be assumed that a lower volume for distributing or collecting the reaction medium of the central reactor interior or of the outer annulus would be necessary as these mechanical and maintenance requirements correspond, but sometimes reaction-technical requirements for the geometry of the catalyst bed or requirements, the distribution or collection of the reaction medium, the minimum sizes of the reactor interior and / or the outer annulus establish. Likewise, the size of the central interior can be determined by a maximum possible construction height of the reactor with a quantity of catalyst determined by the desired capacity of the reactor and a maximum thickness of the catalyst bed determined for reaction reasons, so that the necessary volume of the catalyst bed can only be achieved with a sufficiently large diameter of the catalyst baskets can be achieved, determined. This is of no importance for the mode of operation of the invention.
Die offenen Durchgänge zwischen den Konen, also die kleinsten Abstände zwischen zwei benachbarten Konen, werden so gewählt, dass die Katalyatorpartikel bei Expansion oder Kontraktion des Kata- lyatorvolumens in diese offenen Durchgänge ausweichen oder wieder aus ihnen zurückfließen können. Im allgemeinen sind die offenen Durchgänge größer als das vierfache, vorzugsweise mindestens das zehnfache der größten Hauptabmessung eines einzelnen Katalysa- torpartikels . Bei kugelförmigen Katalysatorpartikeln mit einem Durchmesser von 2 bis 3 mm kann beispielsweise ein Konusabstand von 30 mm oder 60 mm gewählt werden.The open passages between the cones, that is to say the smallest distances between two adjacent cones, are selected such that the catalyst particles can escape into these open passages or flow back out of them when the catalyst volume expands or contracts. In general, the open passageways are larger than four times, preferably at least ten times the largest major dimension of a single catalyst particle. For spherical catalyst particles with a diameter of 2 to 3 mm, for example, a cone spacing of 30 mm or 60 mm can be selected.
Die für die Festlegung von Länge und Höhenüberlappung der Konen, des Konuswinkels sowie des Abstands der Konen voneinander notwen- digen Parameter werden mit einfachen Routineversuchen mit dem für die durchzuführende Reaktion verwendeten Katalysator ermittelt (bei Trägerkatalysatoren genügt für diese Versuche im Normalfall der Träger ohne Aktivmasse, da dieser die Schüttguteigenschaften des Katalysators bestimmt) . Insbesondere sind der Böschungswinkel eines Katalysator-Schüttkegels sowie der Winkel θpraktisc des Katalysators auf dem für die Konen gewählten Material zu bestimmen oder festzulegen, und durch Messung oder Berechnung der thermischen Expansion oder Kontraktion des Katalysators und der Volumenänderung des Katalysatorbetts bei den zu erwartenden Tempera- tursprüngen das notwendige Expansionsvolumen.The parameters required for determining the length and height overlap of the cones, the cone angle and the spacing of the cones from one another are determined using simple routine tests with the catalyst used for the reaction to be carried out (in the case of supported catalysts, the support without active composition is normally sufficient for these tests, since this determines the bulk properties of the catalyst). In particular, the angle of repose of a catalyst cone and the angle θ pract i sc of the catalyst on the material selected for the cones are to be determined or determined, and by measuring or calculating the thermal expansion or contraction of the catalyst and the volume change of the catalyst bed in the expected ones Jumps in temperature the necessary expansion volume.
Die aufgezählten Konstruktionsprinzipien lassen sich völlig analog auch auf den äußeren Katalysatorkorb anwenden. Im allgemeinen wird es zumindest bei Wanderbettreaktoren genügen, wenn eine Be- grenzung des Katalysatorbetts, also entweder der innere oder der äußere Katalysatorkorb erfindungsgemäß ausgeführt wird. Wenn sowohl der innere als auch der äußere Katalysatorkorb erfindungsge- maß ausgeführt werden, steht bei gleicher Gesamtbauhöhe des Reaktors ein erheblich höheres Expansionsvolumen und eine doppelt so hohe Anzahl an offenen Durchgängen für den Katalysator zur Verfügung als bei nur einem erfindungsgemäß ausgeführten Katalysator- korb; in manchen Fällen kann daher - insbesondere bei Festbettreaktoren - der Reaktor mit zwei erfindungsgemäß ausgeführten Katalysatorkörben kompakter gebaut werden als mit nur einem:The design principles listed can also be applied in a completely analogous manner to the outer catalyst basket. In general, at least in the case of moving bed reactors, it will suffice if the catalyst bed, that is to say either the inner or the outer catalyst basket, is limited according to the invention. If both the inner and the outer catalyst basket according to the invention are carried out, there is a considerably higher expansion volume and twice the number of open passages for the catalyst available with the same overall height of the reactor than with only one catalyst basket designed according to the invention; in some cases - especially with fixed bed reactors - the reactor can therefore be made more compact with two catalyst baskets designed according to the invention than with only one:
Die Konen werden mit im Reaktorbau üblichen Methoden aus im Reak- torbau üblichen Werkstoffen gefertigt, vorzugsweise aus einemThe cones are produced using methods customary in reactor construction from materials customary in reactor construction, preferably from one
Werkstoff, der unter Reaktionsbedingungen ausreichend korrosionsfest ist. Dazu werden beispielsweise Bleche zu den Konen verformt. Die Bleche werden, wenn sie für das Reaktionsmedium durchlässig sein sollen, mit Schlitzen, Perforationen oder Löchern versehen, beispielsweise durch Stanzen. Alternativ können genauso auch Drahtnetze verwendet werden, oder Stäbe können parallel an mindestens zwei Trägerringen unterschiedlichen Durchmessers befestigt werden. Die einzelnen Konen werden an einer geeigneten Stützkonstruktion befestigt, beispielsweise an mehreren senkrech- ten Trägern, die im zentralen Reaktorinnenraum entlang der inneren Öffnung der Konen verteilt sind, oder entsprechend außerhalb des äußeren Katalysatorkorbs entlang der äußeren Öffnung der Konen und, falls nötig, die Konen zusätzlich mit Streben stützen. Derartige Einbau-Konstruktionen in Reaktoren sind für jeden Fachmann leicht ausführbar.Material that is sufficiently corrosion-resistant under reaction conditions. For example, sheets are deformed to form the cones. If the sheets are to be permeable to the reaction medium, they are provided with slots, perforations or holes, for example by punching. Alternatively, wire nets can also be used, or rods can be attached in parallel to at least two carrier rings of different diameters. The individual cones are attached to a suitable support structure, for example on several vertical supports which are distributed in the central reactor interior along the inner opening of the cones, or correspondingly outside the outer catalyst basket along the outer opening of the cones and, if necessary, the cones additionally support with struts. Such installation constructions in reactors are easy to carry out for any person skilled in the art.
Die Dicke des Katalysatorbetts, die im allgemeinen Fall dem Abstand zwischen den beiden Katalysatorkörben entspricht, wird so gewählt, dass das Reaktionsgasgemisch beim Durchtritt durch das Katalysatorbett den gewählten (d.h. , dem gewünschten oder dem tolerierbaren) Druckverlust erfährt. Eine weitere Randbedingung, die der erfindungsgemäße Reaktor wiederum mit Feststoffsilos (siehe oben) gemeinsam hat, ist, dass der Katalysator im Massenstrom zwischen dem inneren und dem äußeren Katalysatorkorb strömt. Auch hier lassen sich die bekannten Auslegungsprinzipien für Feststoffsilos, hier für die MindestauslaufÖffnung eines Silos, übertragen. Im allgemeinen ist der kleinste Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Katalysatorkorb mindestens das vierfache, vorzugsweise mindestens das zehnfache der größten Hauptab- messung eines einzelnen Katalysatorpartikels. Typischerweise wird jedoch, um die Bauhöhe des Reaktors im Rahmen zu halten, ein Abstand von mindestens dem Hundertfachen der größten Hauptabmessung eines einzelnen Katalysatorpartikels verwendet. Bei kugelförmigen Katalysatorpartikeln mit einem Durchmesser von 2 bis 3 mm wird beispielsweise ein Abstand der Katalysatorkörbe von 300 mm gewählt. Um die Durchmischung von Katalysatorpartikeln, die sich im Katalysatorbett in der Nähe der oder zwischen den Konen befinden. mit solchen im Inneren des Katalysatorbetts zu verbessern und so den Katalysator makroskopisch zu vereinheitlichen, kann es sinnvoll sein, Einbauten vorzusehen, die diese Durchmischung fördern; auch dies ist von Feststoffsilos her wohlbekannt.The thickness of the catalyst bed, which generally corresponds to the distance between the two catalyst baskets, is chosen so that the reaction gas mixture experiences the selected (ie, the desired or the tolerable) pressure loss when it passes through the catalyst bed. Another boundary condition which the reactor according to the invention in turn has in common with solid silos (see above) is that the catalyst flows in a mass flow between the inner and the outer catalyst basket. The known design principles for solid silos, here for the minimum discharge opening of a silo, can also be transferred here. In general, the smallest distance between the inner and the outer catalyst basket is at least four times, preferably at least ten times the largest main dimension of a single catalyst particle. Typically, however, to keep the overall height of the reactor within the range, a distance of at least one hundred times the largest main dimension of a single catalyst particle is used. In the case of spherical catalyst particles with a diameter of 2 to 3 mm, for example, a distance between the catalyst baskets of 300 mm is selected. The mixing of catalyst particles that are located in the catalyst bed near or between the cones. to improve those inside the catalyst bed and thus macroscopically standardize the catalyst, it may be useful to provide internals that promote this mixing; this is also well known from solid silos.
Die Höhe des Katalysatorbetts wird so gewählt, dass bei der gegebenen Dicke des Katalysatorbetts im Reaktor die für die gewünschte Kapazität des Reaktors und den gewünschten Umsatzgrad im Reaktor mindestens ausreichende Katalysatormenge vorhanden ist. Wie bereits erwähnt, kann die Dicke des Katalysatorbetts über seine Höhe variiert werden.The height of the catalyst bed is chosen so that, given the thickness of the catalyst bed in the reactor, there is at least sufficient amount of catalyst available for the desired capacity of the reactor and the desired degree of conversion in the reactor. As already mentioned, the thickness of the catalyst bed can be varied over its height.
Der erfindungsgemäße Reaktor ist zur Durchführung von heterogenkatalysierten Reaktionen geeignet, und zwar gleichermaßen für die Durchführung von heterogenkatalysierten Reaktionen in der Flüssigphase, der Gasphase, oder der gemischten Flüssig- und Gasphase. Besonders geeignet ist der erfindungsgemäße Reaktor zur Durchführung von heterogenkatalysierten Gasphasenreaktionen. Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktors treten insbe- sondere bei Reaktionen mit hoher Wärmetönung und bei Reaktionen, die bei vergleichsweise hohen Temperaturen durchgeführt werden, auf. Ganz besonders geeignet ist der erfindungsgemäße Reaktor in seiner Ausführungsform als Wanderbettreaktor zur Durchführung heterogenkatalysierter Gasphasenreaktionen wie der Reformierung von Kohlenwasserstoffen oder der Dehydrierung von Alkan-Kohlenwasser- stoffen wie Propan, Butan, Pentan, Oktan oder Ethylbenzol oder Kohlenwasserstoffgemischen zu den entsprechenden Alkenen oder Alkengemischen.The reactor according to the invention is suitable for carrying out heterogeneously catalyzed reactions, equally for carrying out heterogeneously catalyzed reactions in the liquid phase, the gas phase, or the mixed liquid and gas phase. The reactor according to the invention is particularly suitable for carrying out heterogeneously catalyzed gas phase reactions. The particular advantages of the reactor according to the invention occur in particular in reactions with a high degree of heat and in reactions which are carried out at comparatively high temperatures. The reactor according to the invention in its embodiment is very particularly suitable as a moving bed reactor for carrying out heterogeneously catalyzed gas-phase reactions such as the reforming of hydrocarbons or the dehydrogenation of alkane hydrocarbons such as propane, butane, pentane, octane or ethylbenzene or hydrocarbon mixtures to give the corresponding alkenes or alkene mixtures.
Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung des erfindungsgemäßen Reaktors wird der Katalysator in das Katalysatorbett gefüllt, und das Einsatzstoffgemisch an einem oder mehreren Einlassstutzen entweder in den zentralen Innenraum des Reaktors oder den Außenraum zwischen dem äußeren Katalysator- korb und der Reaktorwand geleitet. Das Einsatzstoffgemisch durchströmt das Katalysatorbett radial von innen nach außen oder von außen nach innen, und das Produktgemisch wird, sofern das Einsatzstoffgemisch von innen nach außen geleitet wurde, aus dem Außenraum zwischen äußerem Katalysatorkorb und Reaktorwand, oder, sofern das Einsatzstoffgemisch von außen nach innen geleitet wurde, aus dem zentralen Reaktorinnenraum über einen oder mehrere Auslassstutzen wieder entnommen. Im Katalysatorbett ist der für die Reaktion verwendete stückige Katalysator angeordnet. Sofern der Reaktor als Wanderbettreaktor betrieben wird, wird unten am Katalysatorbett aus einem oder mehreren Katalysatorauslassstutzen Katalysator aus dem Reaktor entnommen. Oben am Katalysatorbett wird durch einen oder mehrere Katalysatoreinlassstutzen Katalysa- tor in derselben Menge, wie sie unten entnommenen wurde, in das Katalysatorbett eingefüllt. Der Katalysator bewegt sich durch die Schwerkraft von oben nach unten durch den Reaktor. Die Entnahme und die Ergänzung kann in einzelnen Portionen, in bestimmten zeitlichen Abständen oder nach Bedarf, z. B. bei Unterschreiten einer bestimmten Mindestaktivität, oder auch kontinuierlich erfolgen. Der unten entnommene Katalysator wird üblicherweise entweder regeneriert oder in einem weiteren Reaktor einer mehrstufigen Reaktorkaskade eingesetzt, in Einzelfällen, beispielsweise, wenn er nicht mehr regenerierbar ist, muss er auch entsorgt werden. Über die unten pro Zeiteinheit entnommene Katalysatormenge wird die mittlere Verweilzeit des Katalyators im Reaktor eingestellt, diese mittlere Verweilzeit wird so gewählt, dass die katalytischen Eigenschaften der Katalyatorfüllung insgesamt ober- halb reaktionsspezifischer, befriedigender Werte liegen. Verschlechtert sich beispielsweise die Aktivität des Katalysators mit seiner Verweilzeit, wird die Verweilzeit so eingestellt, dass im Reaktor der gewünschte Mindestumsatz bei der angewendeten Reaktionstemperatur erreicht wird.To carry out a process according to the invention using the reactor according to the invention, the catalyst is filled into the catalyst bed and the feed mixture is passed at one or more inlet ports either into the central interior of the reactor or the exterior between the outer catalyst basket and the reactor wall. The feed mixture flows radially from the inside to the outside of the catalyst bed or from the outside in, and the product mixture, if the feed mixture has been passed from the inside to the outside, from the outside space between the outer catalyst basket and the reactor wall, or, if the feed mixture has passed from the outside to the inside was removed from the central reactor interior via one or more outlet ports. The lumpy catalyst used for the reaction is arranged in the catalyst bed. If the reactor is operated as a moving bed reactor, catalyst is removed from the reactor at the bottom of the catalyst bed from one or more catalyst outlet ports. At the top of the catalyst bed, one or more catalyst inlet ports in the same amount as that taken out below was filled into the catalyst bed. The catalyst moves from top to bottom through the reactor by gravity. The removal and the addition can be in individual portions, at certain time intervals or as required, for. B. when falling below a certain minimum activity, or continuously. The catalyst removed below is usually either regenerated or used in a further reactor in a multi-stage reactor cascade, in individual cases, for example if it can no longer be regenerated, it must also be disposed of. The average residence time of the catalyst in the reactor is set via the amount of catalyst withdrawn per unit of time. This average residence time is selected such that the catalytic properties of the catalyst filling are overall above satisfactory, reaction-specific values. If, for example, the activity of the catalyst deteriorates with its residence time, the residence time is adjusted so that the desired minimum conversion is achieved in the reactor at the reaction temperature used.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Duchführung chemischer Reaktionen unterscheidet sich also von bekannten, in bekannten Reaktoren vergleichbarer Bauart, aber ohne Expansionsräume für den Katalysator, durchgeführten Verfahren durch die erfindungsgemäße Konstruktion eines Katalysatorkorbs oder beider Katalysatorkörbe im verwendeten Reaktor. Maßnahmen zur Durchführung auch des erfindungsgemäßen Verfahrens sind daher bekannt, beispielsweise aus den hierin zitierten Schriften aus dem Stand der Technik, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.The process according to the invention for carrying out chemical reactions thus differs from known, comparable designs in known reactors, but without expansion spaces for the catalyst, processes carried out by the construction according to the invention of a catalyst basket or both catalyst baskets in the reactor used. Measures for carrying out the method according to the invention are therefore known, for example from the prior art documents cited herein, to which reference is hereby expressly made.
Bevorzugte chemische Reaktionen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im erfindungsgemäßen Reaktor durchgeführt werden, sind die Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen, die Erzeugung von Synthesegas und die Reformierung von Kohlenwasserstoffen, insbeson- dere:Preferred chemical reactions which are carried out with the process according to the invention in the reactor according to the invention are the dehydrogenation of hydrocarbons, the generation of synthesis gas and the reforming of hydrocarbons, in particular:
• die katalytische Dehydrierung von Propan zu Propen, beispielsweise mit den aus US-A-3, 584, 060, US-A-3, 878,131, US-A-4, 438, 288, US-A-4, 595, 673 , US-A-4, 716,143 oder US-A-4, 827, 072 bekannten oder jedem anderen dafür geeigneten Katalysator undThe catalytic dehydrogenation of propane to propene, for example with those from US-A-3, 584, 060, US-A-3, 878,131, US-A-4, 438, 288, US-A-4, 595, 673 , US-A-4, 716,143 or US-A-4, 827, 072 known or any other suitable catalyst and
• die katalytische Dehydrierung von Ethylbenzol zu Styrol . Beispiel : Bestimmung der Länge und der Höhenüberlappung der Konen, des Konuswinkels und des Abstands der Konen mit einer Modellapparatur• The catalytic dehydrogenation of ethylbenzene to styrene. Example: Determination of the length and height overlap of the cones, the cone angle and the distance of the cones with a model apparatus
Die Abbildungen 4 und 5 stellen eine einfache Modellanordnung zur experimentellen Überprüfung der gewählten Parameter (Länge und Höhenüberlappung der Konen, Konuswinkel K, Abstand der Konen voneinander, Werkstoff) dar. Abbildung 4 zeigt einen Schnitt durch einen quaderförmigen Behälter (400 * 300 * 2019 mm) mit einem Bo- denauslauftrichter (Gesamthöhe 2318 mm) , der aus dem für die Konen gewählten Material (hier als Beispiel V2A-Stahl) gefertigt wird. Am Boden ist ein Schieber angebracht (nicht dargestellt) . Eine Wand dieses Kastens wird, wie in Abbildung 4 dargestellt ist und auch in der Vorderansicht von Abbildung 5 deutlich wird, von jalousieartig angeordneten rechteckigen (300 * 170 mm) Blechen gebildet. Die Lagen von Ober- und Unterkante dieser Bleche sind in Abbildung 4 in Millimeter, gemessen ab der Behälter-Oberkante, angegeben. Der Winkel zwischen dem Blech und der Vertikalen (was dem Konuswinkel entspricht) betrug 15°, und der kleinste Abstand zwischen den Blechen (was dem offenen Durchgang zwischen den Konen entspricht) 30 mm.Figures 4 and 5 represent a simple model arrangement for experimental testing of the selected parameters (length and height overlap of the cones, cone angle K, distance of the cones from one another, material). Figure 4 shows a section through a cuboid-shaped container (400 * 300 * 2019 mm ) with a floor discharge funnel (total height 2318 mm), which is made of the material chosen for the cones (here as example V2A steel). A slider is attached to the floor (not shown). One wall of this box, as shown in Figure 4 and is also evident in the front view of Figure 5, is formed by rectangular (300 * 170 mm) sheets arranged in the manner of a blind. The positions of the top and bottom edge of these sheets are given in Figure 4 in millimeters, measured from the top edge of the container. The angle between the sheet and the vertical (which corresponds to the cone angle) was 15 °, and the smallest distance between the sheets (which corresponds to the open passage between the cones) was 30 mm.
In diesen Behälter wurde bei geschlossenem Schieber bis zur Höhe der Oberkante des Auslauftrichters als ModellSubstanz ein festes poröses Alumosilikat in Form von Kugeln mit einem Durchmesser von 2 bis 3 mm, einem Böschungswinkel von 17° und einem Rutschwinkel auf einer geneigten Ebene aus V2A-Stahl von 10° (ein kommerziell erhältliches sogenanntes „Molsieb") eingefüllt. In die Mitte der Vorrichtung wurde ein Drucksensor (wassergefüllte Gewebetasche mit Schlauch) gelegt, und in Portionen von 3 - 4 kg wurde weiteres Molsieb in die Vorrichtung gefüllt. Der sich dadurch im Feststoffbett aufbauende Druck wurde mittels des Drucksensors gemessen, er stieg zunächst mit der Füllhöhe, aber erreichte bei einer Füllhöhe von ca. 1000 mm seinen Maximalwert von 240 mm Wasser- säule. Dieser Wert bliebt aufgrund der inneren Reibung der Feststoffkugeln auch bei höheren Füllhöhen konstant. Die Füllstände zwischen den jalousieartig angeordneten Blechen waren 0 - 1 mm, jeweils gemessen von der Blechunterkante, und zeigten keine Abhängigkeit von der Höhe.A solid porous aluminosilicate in the form of spheres with a diameter of 2 to 3 mm, an angle of repose of 17 ° and a slip angle on an inclined plane made of V2A steel was placed in this container with the slide closed up to the height of the upper edge of the discharge funnel as a model substance 10 ° (a commercially available so-called "molecular sieve"). A pressure sensor (water-filled fabric bag with hose) was placed in the middle of the device, and further molecular sieves were filled into the device in portions of 3-4 kg Build-up pressure was measured by means of the pressure sensor, which initially rose with the fill level, but reached a maximum value of 240 mm water column at a fill level of approximately 1000 mm, which remained constant even at higher fill levels due to the internal friction of the solid spheres Filling levels between the sheets arranged in the manner of blinds were 0-1 mm, measured in each case from the lower edge of the sheet, and showed no dependence on the height.
In einem weiteren Versuch ohne Drucksensor wurde in Portionen von ca. 3 kg am Schieber Feststoff aus der Vorrichtung entnommen und oben wieder eingefüllt. Der Feststoff wurde auf diese Weise vollständig umgewälzt, ohne dass sich eine Höhenabhängigkeit der Füllstände zwischen den jalousieartig angeordneten Blechen zeigte. Durch Veränderung der Länge dieser jalousieartig angeordneten Bleche, ihres Neigungswinkels, ihrer Anzahl und ihres Abstands voneinander können in einfacher Weise die entsprechenden Parameter für die Konen überprüft und optimiert werden. In a further experiment without a pressure sensor, solids were removed from the device in portions of approx. 3 kg on the slide and refilled at the top. The solid was completely circulated in this way, without showing a level dependence of the fill levels between the sheet-like arranged sheets. The corresponding parameters for the cones can be checked and optimized in a simple manner by changing the length of these sheets arranged in the manner of a blind, their angle of inclination, their number and their spacing from one another.
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