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WO2009135942A1 - Method for the semi-adiabatic, semi-isothermic implementation of an endothermic reaction using a catalytic reactor and design of said reactor - Google Patents

Method for the semi-adiabatic, semi-isothermic implementation of an endothermic reaction using a catalytic reactor and design of said reactor Download PDF

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WO2009135942A1
WO2009135942A1 PCT/EP2009/055613 EP2009055613W WO2009135942A1 WO 2009135942 A1 WO2009135942 A1 WO 2009135942A1 EP 2009055613 W EP2009055613 W EP 2009055613W WO 2009135942 A1 WO2009135942 A1 WO 2009135942A1
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flow path
reactor
metal
tubes
ethylbenzene
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Günter HAUSINGER
Michael Urbancic
Vladimir Fridman
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Sued Chemie AG
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Sued Chemie AG
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    • C01B2203/1252Cyclic or aromatic hydrocarbons

Definitions

  • the invention relates to a method for semi-adiabatic, semi-isothermal carrying out an endothermic reaction using a catalytic reactor having a first and a second flow path, which are in heat exchange with each other, wherein in the first flow path to the endothermic reaction a catalyst takes place and an exothermic reaction takes place in the second flow path to provide the temperature necessary for the endothermic reaction.
  • the invention further relates to a reactor suitable for carrying out the process.
  • Reactors are commonly used for a wide variety of catalytic reactions.
  • the use of radial reactors is known from US-A-4,880,603 and US-A-5,250,270 in ammonia synthesis plants.
  • a common endothermic chemical process employing radial reactors is the dehydrogenation of hydrocarbons, eg the dehydrogenation of ethylbenzene to styrene.
  • ethylbenzene is reacted with superheated steam at elevated temperatures in the presence of a dehydrogenation catalyst, eg, iron oxide, to form styrene.
  • a dehydrogenation catalyst eg, iron oxide
  • Radial reactors for making styrene are known from US-A-3,475,508, US-A-3,515,763 and US-A-3,918,918.
  • Such radial reactors are generally elongated, cylindrical, vertical constructions, which can be very large and have a diameter of 1.5 to 6 meters or more and a height of 1.5 up to 30 m or more.
  • Such reactors are known from JP-A-49039971 and JP-A-49039972.
  • the temperature of the catalyst and starting materials decreases from the beginning to the end of the first flow path, i.e., from the beginning to the end of the first flow path. from the beginning to the end of the catalyst bed.
  • the inlet temperature of the ethylbenzene / steam mixture into the first reactor is 615 ° C. and the outlet temperature of the first reactor is 534 ° C.
  • the exiting gas mixture from the first reactor is heated and the inlet temperature in the second reactor is 620 ° C and the outlet temperature of the second reactor 563 ° C.
  • the conversion rate of ethylbenzene over the catalyst bed in the first reactor is 38.5 wt%.
  • the total conversion rate of ethylbenzene over both reactors is 65.8 wt%.
  • gaseous components remain in the exhaust stream, such as hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, methane, ethane, ethylene, propane, propylene and uncondensed residue of water, benzene, toluene, ethylbenzene and styrene.
  • the composition of the dry exhaust gas of the main components is 95.9 mole% hydrogen, 3.2 mole% carbon dioxide, 0.1 mole% carbon monoxide, 0.5 mole% methane, 0.3 mole% ethylene. Nitrogen was not considered because it is used in small amounts as purge gas.
  • EP 0 871 537 B1 discloses various catalytic processes whose common feature is the use of an oxygen transfer material which is readily oxidizable in the reduced state or easily reducible in the oxidized state, and which is alternately oxidized or reduced.
  • the oxygen transfer material in particular metals, such as silver, copper or iron or their oxides are called.
  • the heat generated by the oxidation of the oxygen transfer material is used to release volatile organic compounds to allow the cold start of catalysts or to provide the necessary energy in the production of hydrogen.
  • the Exothermic and endothermic reactions occur in each of the proposed catalytic processes in the same reaction chamber.
  • EP 0 457 352 A1 discloses a cylindrical reactor for
  • US 6 620 386 B1 also discloses a reactor having a first flow path which is transverse to a second flow path, the flow paths being in heat exchange relationship with each other.
  • the reactor can be used to convert ethylbenzene to styrene.
  • the heat required to carry out the endothermic process is supplied to the reactor by superheated steam, by combustion or by an electric heating element.
  • JP 06-111838 A and US 6,482,375 B1 describe reactors for simultaneously carrying out an exothermic and an endothermic reaction in adjacent reaction lines for heat exchange.
  • the endothermic reaction here is a reforming reaction (JP '838) or the dehydrogenation of ethylbenzene to styrene (US' 375).
  • the exothermic reaction is a combustion reaction in both cases.
  • the reaction lines are parallel to each other.
  • US 5 567 398 A discloses a reactor for carrying out endothermic reactions.
  • the heat needed to effect the exothermic reaction is generated by the combustion of fuel and air in a combustion chamber. If the reactor is used to recover hydrogen, then an additional catalytic material can be used, which on the one hand increases the hydrogen yield and on the other hand reduces carbon monoxide emissions.
  • the reaction lines are parallel to each other.
  • US Pat. No. 6,180,846 B1 describes the indirect introduction of heat into a first reaction zone in which an endothermic reaction takes place by contacting the reactants with combustion gases formed in a second reaction zone.
  • An example is the reaction of ethylbenzene by catalytic dehydrogenation to styrene.
  • the heat required for this purpose is generated by combustion of the hydrogen formed in this reaction.
  • the two reaction zones are arranged parallel to one another.
  • a dehydrogenation catalyst bed system for olefin production which works with a conventional chromia / alumina dehydrogenation catalyst and contains an additional component which is catalytically inert for the dehydrogenation reaction or side reactions but which generates heat when exposed to reducing or oxidizing reaction conditions.
  • the heat-generating inert component may, for example, have a similar density and heat capacities as ⁇ -alumina, and may in particular be copper oxide on an alumina support, the copper oxide constituting at least 8% by weight of the heat-generating, inert component. Similar to the Houdry process known from US Pat. No.
  • the dehydrogenation is carried out in several stages, wherein the catalyst bed is evacuated, reduced with hydrogen and evacuated, and then an aliphatic hydrocarbon is introduced and dehydrogenated, whereupon the catalyst bed is purged with steam and is regenerated. This cycle is repeated, starting with the reduction.
  • the installation of heat exchanger tubes only in the outlet area of the catalyst bed would not significantly improve the temperature profile as long as conventional methods of heat generation exist would be used.
  • the passage of combustion gases through small diameter tubes would result in overheating of the inlet area of the tubes and low temperatures in the outlet area of the tubes, ie a large temperature gradient along the heat exchanger tubes and in the catalyst bed, which in turn would degrade selectivity.
  • the object underlying the invention is a method for carrying out an endothermic reaction using a catalytic reactor which is substantially semi-adiabatic and semi-isothermal.
  • this object is achieved in a method of the type mentioned above in that the second flow path metal / metal oxide on a support and in the second flow path alternately oxidizes the metal and the metal oxide are reduced.
  • the carrier may in particular be particles or the inside of tubes.
  • Flow path filled with particles, which are provided with the metal or metal oxide, or the inner sides of the walls defining the second flow path are coated with the metal / metal oxide, which can be reduced or oxidized.
  • the catalyst is operated cyclically with reduction and oxidation phases wherein the alternating oxidation and reduction of metal or metal oxide in the second flow path is controlled to achieve the desired temperature.
  • the length of the reduction and oxidation phases also depends on the size of the reactor and the size of the particles. The larger the reactor and the larger the metal / metal oxide particles, the longer the reduction and oxidation phases.
  • a cycle consisting of a reduction phase and an oxidation phase can be between 3 Take seconds and 15 minutes. Preferably, its duration is between 1 and 2 minutes.
  • the reactor is cylindrical and preferably the first flow path from the center of the cylindrical reactor extends radially from the inside to the outside, wherein the supply of the reactants takes place through an axial, central channel of the reactor.
  • the second flow path preferably runs parallel to the axis in heat exchanger tubes.
  • the arrangement of the heat exchanger tubes, the temperature profile can be controlled within the first flow path.
  • the paraxial heat exchanger tubes of the second flow path are therefore arranged in the region of the reactor in which the temperature of the first flow path is to be increased. Since on the first flow path, i. As the catalyst bed undergoes an endothermic reaction, the temperature normally decreases toward the end of the first flow path.
  • this temperature drop can be compensated, so that a very uniform temperature distribution along the first flow path is achieved. Thereby, over the entire course of the first flow path, the temperature can be kept at the value which is optimal for the endothermic reaction carried out and gives the highest yield or conversion.
  • the tube diameter may be between 10 mm and 20 cm and the number of tubes may be between 10 and 10,000, wherein the number is greater, the smaller the tube diameter.
  • the tubes are generally round, but may be of any cross section. at an elongated rectangular cross-section, the ratio of surface to volume is greater than a round cross-section, so that then the heat output is increased.
  • valves which allow rapid switching from an oxygen-containing gas such as air to a reducing gas, e.g. allow a hydrogen-containing gas, preferably between them, a purging of the system with nitrogen, water vapor or an inert gas.
  • an oxygen-containing gas such as air
  • a reducing gas e.g. allow a hydrogen-containing gas, preferably between them, a purging of the system with nitrogen, water vapor or an inert gas.
  • the metal used for the heat generation is selected on the basis of the kinetics of the oxidation and reduction reactions, since it is important to carry out these reactions as quickly as possible. In addition, the metal must have sufficient stability in a reducing and oxidizing environment.
  • the material introduced into the heat exchanger generates heat that can be stored by heat generating material and transferred directly to the heat exchange surfaces. In this case, the highly heated solid transfers the heat to the heat exchange surfaces and gas mixtures generated during the reduction and oxidation.
  • US-A-2007/0054801 in question, in particular copper, bismuth, chromium and nickel.
  • the reduction with hydrogen or methane is exothermic.
  • iron, molybdenum, zinc, cobalt, tin, cerium and manganese are also suitable.
  • reduction with hydrogen or methane is slightly endothermic. Since the oxidation reaction is exothermic in all the metals mentioned, an exothermic effect always results for the entire oxidation / reduction cycle.
  • the preferred metal is copper. It is preferably e.g. to 10
  • the carrier may have spherical shape, ring shape or tablet form or may be an extrudate of any cross-sectional shape, for example a star-shaped cross-section (ribtrusion).
  • the tubes can also be provided on the inside with a wash coating of the metal or metal oxide.
  • the total amount of heat produced during a cycle is the sum of the reduction and oxidation enthalpy.
  • the hydrogen formed in the dehydrogenation of ethylbenzene from the styrene / ethylbenzene / water vapor / hydrogen mixture is used for the reduction phase and may optionally also be mixed with methane.
  • the metal compounds used for the reduction and oxidation can either be introduced into the tubes, in which case the endothermic reaction takes place in the space of the reactor surrounding the tubes. Conversely, the metal compound used for the reduction and oxidation can be filled in the space of the reactor surrounding the tubes, and then the endothermic reaction takes place inside the tubes.
  • the pressure loss also depends on the length of the first flow path, i. in a cylindrical reactor of its radius, which is equal to the bed depth. For example, with a bed depth of 80 to 90 cm, the size of the catalyst pellets may be 2 to 6 mm.
  • Figure 1 in vertical section a reactor for the dehydrogenation of ethylbenzene, in which the additional heat within the Heat exchanger tubes is generated, and
  • the reactor shown in Figures 1 and 2 is substantially cylindrical. It has a first flow path 10 and a second flow path 20, which are spatially separated from each other and which are only in thermal contact with each other.
  • the first flow path 10 extends from an inlet 12, which begins in the middle of the top of the reactor and extends axially through the reactor through an inlet tube 14, through the interior 16 of the reactor to an annulus 17, from which an outlet 18 lead away on the circumference of the reactor.
  • an inlet 12 which begins in the middle of the top of the reactor and extends axially through the reactor through an inlet tube 14, through the interior 16 of the reactor to an annulus 17, from which an outlet 18 lead away on the circumference of the reactor.
  • In the wall of the inlet tube 14 and in the inner cylindrical wall of the annular space 17 are openings that allow gas passage.
  • the second flow path 20 extends from a
  • valves 28 are installed which allow rapid switching from an oxygen-containing gas such as air to a methane / hydrogen mixture and to a purge gas such as nitrogen or water vapor therebetween.
  • the heat exchanger tubes 24 are arranged axially parallel in the space 16 surrounding the inlet tube 14 in two concentric circles.
  • the heat exchanger tubes 24 intersect the first flow path 10 and allow heat transfer or heat exchange between the first and second flow paths 10, 20.
  • the heat exchanger tubes 24 are arranged predominantly in the central region of the first flow path 10 in order to compensate there for the otherwise occurring temperature decrease.
  • the radius of the concentric circles on which the heat exchanger tubes 24 are arranged is therefore 50 to 95% of the radius of the reactor.
  • Ethylbenzene and superheated steam (EB + H 2 O) at a temperature between 580 and 650 ° C is supplied via the inlet 12.
  • EB + H 2 O superheated steam
  • the dehydrogenation catalyst is an iron-potassium based system.
  • pellets of a support of ⁇ -alumina provided with copper, wherein the copper accounts for a share of 8 wt.% Of the pellets.
  • the mixture of the formed styrene, residual ethylbenzene, hydrogen and water vapor (STYR. + EB + H 2 + H 2 O) is withdrawn through the outlet 18.
  • the conversion of ethylbenzene to styrene and hydrogen is endothermic, so that the temperature of the ethylbenzene-vapor mixture would decrease as it passes through the bed of the dehydrogenation catalyst.
  • This decrease in temperature is compensated by the supply of heat generated in the heat exchanger tubes 24 by a rapid succession of oxidation and reduction reactions of a metal and a metal oxide, respectively.
  • In the heat exchanger tubes 24 are pellets with a supported metal. Air is supplied via the collection inlet during the oxidation phase, whereby the metal in the heat exchanger tubes 24 is oxidized. This reaction is exothermic, so that the heat exchanger tubes 24 are heated and increase over their surface the temperature of the gas mixture in the first flow path 10.
  • the conversion of the dehydrogenation at the end of the first flow path 10 is improved, since without heat exchanger tubes 24, the temperature would drop here.
  • the amount of air supplied is sized so that almost all of the metal surfaces of the pellets present in the heat exchanger tubes 24 are oxidized.
  • the heat exchanger tubes 24 are purged with nitrogen and then the metal surfaces of the pellets in the heat exchanger tubes are reduced again by the supply of a mixture of methane and hydrogen.
  • the hydrogen content or the Using only hydrogen the heat balance of the reduction reaction can be controlled.
  • the heat exchanger tubes are located approximately in the middle of the catalyst bed at a radius of between 2.0 and 2.1 m.
  • the cross section of the heat exchanger tubes in this 0.1 m wide ring area is about 50% of the area of the catalyst bed.
  • Catalyst bed center at 615 ° C an ethylbenzene conversion of 52.6 wt.% Over the entire catalyst bed while maintaining the reactor dimension as in Comparative Example 1.
  • 1b in the embodiment of the outer diameter of the catalyst bed slightly increased to achieve the same catalyst volume as in Comparative Example 1.
  • an ethylbenzene conversion rate of 53.3 wt% is achieved.

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Abstract

The invention relates to an endothermic reaction that is implemented in a semi-adiabatic, semi-isothermic manner using a catalytic reactor. The reactor has a first and a second flow path (10, 20), which exchange heat between one another. In the first flow path (10), the endothermic reaction takes place on a catalyst and in the second flow path (20), the oxidation and reduction of a metal take place alternately, in order to provide the temperature required for the endothermic reaction.

Description

Beschreibung description

Verfahren zur semi-adiabatischen, semi-isothermen Durchführung einer endothermen Reaktion unter Einsatz eines katalytischen Reaktors und Ausbildung dieses ReaktorsA method for semi-adiabatic, semi-isothermal carrying out an endothermic reaction using a catalytic reactor and forming this reactor

Technisches GebietTechnical area

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur semi-adiabatischen, semi-isothermen Durchführung einer endothermen Reaktion unter Einsatz eines katalytischen Reaktors, der einen ersten und einen zweiten Strömungsweg aufweist, die miteinander im Wärmeaustausch stehen, wobei in dem ersten Strömungsweg die endotherme Reaktion an einem Katalysator stattfindet und in dem zweiten Strömungsweg eine exotherme Reaktion stattfindet, um die für die endotherme Reaktion notwendige Temperatur bereitzustellen. Die Erfindung betrifft ferner einen für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Reaktor.The invention relates to a method for semi-adiabatic, semi-isothermal carrying out an endothermic reaction using a catalytic reactor having a first and a second flow path, which are in heat exchange with each other, wherein in the first flow path to the endothermic reaction a catalyst takes place and an exothermic reaction takes place in the second flow path to provide the temperature necessary for the endothermic reaction. The invention further relates to a reactor suitable for carrying out the process.

Stand der TechnikState of the art

[0002] Reaktoren werden allgemein für verschiedenste Arten katalytischer Reaktionen verwendet. Die Verwendung radialer Reaktoren ist aus US-A-4,880,603 und US-A-5,250,270 bei Anlagen zur Ammoniak-Synthese bekannt.Reactors are commonly used for a wide variety of catalytic reactions. The use of radial reactors is known from US-A-4,880,603 and US-A-5,250,270 in ammonia synthesis plants.

[0003] Ein verbreitetes endothermes chemisches Verfahren, bei dem radiale Reaktoren eingesetzt werden, ist die Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen, z.B. die Dehydrierung von Ethylbenzol zu Styrol. Bei diesem Verfahren wird Ethylbenzol mit überhitztem Dampf bei erhöhten Temperaturen in Gegenwart eines Dehydrierungskatalysators, z.B. Eisenoxid, zur Bildung von Styrol umgesetzt. Ein solches Verfahren ist aus US-A-4,551 ,571 und US-A-6,096,937 bekannt. Die Konversion vom Ethylbenzol zu Styrol wird in industriellen Anlagen normalerweise nicht in einem einzigen Reaktor, sondern in einer Reihe hintereinander geschalteter radialer Reaktoren durchgeführt. Radiale Reaktoren zur Herstellung von Styrol sind aus US-A-3,475,508, US-A-3,515,763 und US-A-3,918,918 bekannt. Solche radialen Reaktoren sind im Allgemeinen längliche, zylindrische, vertikale Konstruktionen, die sehr groß sein können und einen Durchmesser von 1 ,5 bis 6 m oder mehr und eine Höhe von 1 ,5 bis 30 m oder mehr aufweisen. Solche Reaktoren sind aus JP-A-49039971 und JP-A49039972 bekannt.A common endothermic chemical process employing radial reactors is the dehydrogenation of hydrocarbons, eg the dehydrogenation of ethylbenzene to styrene. In this process, ethylbenzene is reacted with superheated steam at elevated temperatures in the presence of a dehydrogenation catalyst, eg, iron oxide, to form styrene. Such a method is known from US-A-4,551,571 and US-A-6,096,937. The conversion of ethylbenzene to styrene in industrial plants is usually not carried out in a single reactor but in a series of radial reactors connected in series. Radial reactors for making styrene are known from US-A-3,475,508, US-A-3,515,763 and US-A-3,918,918. Such radial reactors are generally elongated, cylindrical, vertical constructions, which can be very large and have a diameter of 1.5 to 6 meters or more and a height of 1.5 up to 30 m or more. Such reactors are known from JP-A-49039971 and JP-A-49039972.

[0004] Da die Dehydrierung von Ethylbenzol zu Styrol endotherm ist, nimmt die Temperatur des Katalysators und der Ausgangsmaterialien vom Anfang zum Ende des ersten Strömungswegs hin ab, d.h. vom Anfang zum Ende des Katalysatorbetts. Z.B beträgt in einer adiabatischen Anlage mit zwei hintereinander geschalteten Reaktoren die Eintrittstemperatur des Ethylbenzol-Dampf-Gemisches in den ersten Reaktor 615°C und die Austrittstemperatur des ersten Reaktors 534°C. Das austretende Gasgemisch aus dem ersten Reaktor wird aufgeheizt und die Eintrittstemperatur in den zweiten Reaktor beträgt 620°C und die Austrittstemperatur des zweiten Reaktors 563°C. Die Konversionsrate von Ethylbenzol über das Katalysatorbett im ersten Reaktor beträgt 38,5 Gew.%. Die gesamte Konversionsrate von Ethylbenzol über beide Reaktoren beträgt 65,8 Gew.%. Nach Abkühlen des Produktstromes verbleiben gasförmige Komponenten im Abgasstrom, wie zum Beispiel Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Propylen und nicht-kondensierte Rest an Wasser, Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Styrol. Die Zusammensetzung des trockenen Abgases der Hauptkomponenten beträgt 95,9 Mol% Wasserstoff, 3,2 Mol% Kohlendioxid, 0,1 Mol% Kohlenmonoxid, 0,5 Mol% Methan, 0,3 Mol% Ethylen. Stickstoff wurde nicht berücksichtigt, da es in geringen Mengen als Spülgas eingesetzt wird.Since the dehydrogenation of ethylbenzene to styrene is endothermic, the temperature of the catalyst and starting materials decreases from the beginning to the end of the first flow path, i.e., from the beginning to the end of the first flow path. from the beginning to the end of the catalyst bed. For example, in an adiabatic plant with two reactors connected in series, the inlet temperature of the ethylbenzene / steam mixture into the first reactor is 615 ° C. and the outlet temperature of the first reactor is 534 ° C. The exiting gas mixture from the first reactor is heated and the inlet temperature in the second reactor is 620 ° C and the outlet temperature of the second reactor 563 ° C. The conversion rate of ethylbenzene over the catalyst bed in the first reactor is 38.5 wt%. The total conversion rate of ethylbenzene over both reactors is 65.8 wt%. After cooling the product stream gaseous components remain in the exhaust stream, such as hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, methane, ethane, ethylene, propane, propylene and uncondensed residue of water, benzene, toluene, ethylbenzene and styrene. The composition of the dry exhaust gas of the main components is 95.9 mole% hydrogen, 3.2 mole% carbon dioxide, 0.1 mole% carbon monoxide, 0.5 mole% methane, 0.3 mole% ethylene. Nitrogen was not considered because it is used in small amounts as purge gas.

[0005] Die EP 0 871 537 B1 offenbart verschiedene katalytische Verfahren deren Gemeinsamkeit die Verwendung eines Sauerstoffübertragungsmaterial darstellt, welches im reduzierten Zustand leicht oxidierbar bzw. im oxidierten Zustand leicht reduzierbar ist, und das abwechselnd oxidiert bzw. reduziert wird. Als Sauerstoffübertragungsmaterial werden insbesondere Metalle, wie Silber, Kupfer oder Eisen bzw. deren Oxide genannt. Die bei der Oxidation des Sauerstoffübertragungsmaterials entstehende Wärme wird genutzt um flüchtige organische Substanzen freizusetzen, um den Kaltstart von Katalysatoren zu ermöglichen oder um die nötige Energie bei der Produktion von Wasserstoff bereitzustellen. Die exotherme und die endothermen Reaktionen laufen in jedem der vorgeschlagenen katalytischen Verfahren in der gleichen Reaktionskammer ab.EP 0 871 537 B1 discloses various catalytic processes whose common feature is the use of an oxygen transfer material which is readily oxidizable in the reduced state or easily reducible in the oxidized state, and which is alternately oxidized or reduced. As the oxygen transfer material in particular metals, such as silver, copper or iron or their oxides are called. The heat generated by the oxidation of the oxygen transfer material is used to release volatile organic compounds to allow the cold start of catalysts or to provide the necessary energy in the production of hydrogen. The Exothermic and endothermic reactions occur in each of the proposed catalytic processes in the same reaction chamber.

[0006] Die EP 0 457 352 A1 offenbart einen zylinderförmigen Reaktor zurEP 0 457 352 A1 discloses a cylindrical reactor for

Durchführung exothermer Reaktionen mit zwei räumlich getrennten, quer zueinander verlaufenden und in Wärmekontakt stehenden Strömungswegen. Das Reaktionsmedium wird nacheinander durch beide Strömungswege geleitet. Die exotherme Reaktion findet allerdings nur in einem der beiden Strömungswege statt. Das Reaktionsmedium im anderen Strömungsweg dient ausschließlich dazu, die bei der exothermen Reaktion entstehende Wärme aufzunehmen und abzuleiten. In der EP 0 457 352 A1 wird kein Verfahren offenbart, durch das die für eine endotherme Reaktion benötigte Wärmeenergie bereitgestellt werden kann.Conduct exothermic reactions with two spatially separated, transverse to each other and in thermal contact flow paths. The reaction medium is passed in succession through both flow paths. However, the exothermic reaction takes place only in one of the two flow paths. The reaction medium in the other flow path is used exclusively to absorb and dissipate the heat generated during the exothermic reaction. EP 0 457 352 A1 does not disclose a method by which the heat energy required for an endothermic reaction can be provided.

[0007] Die US 6 620 386 B1 offenbart ebenfalls einen Reaktor mit einem ersten Strömungsweg der quer zu einem zweiten Strömungsweg verläuft, wobei die Strömungswege miteinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen. Der Reaktor kann zur Umsetzung von Ethylbenzol zu Styrol eingesetzt werden. Die zur Durchführung des endothermen Prozesses benötigte Wärme wird dem Reaktor durch überhitzten Dampf, durch Verbrennung oder durch ein elektrisches Heizelement zugeführt.US 6 620 386 B1 also discloses a reactor having a first flow path which is transverse to a second flow path, the flow paths being in heat exchange relationship with each other. The reactor can be used to convert ethylbenzene to styrene. The heat required to carry out the endothermic process is supplied to the reactor by superheated steam, by combustion or by an electric heating element.

[0008] JP 06-111838 A und US 6 482 375 B1 beschreiben Reaktoren zur gleichzeitigen Durchführung einer exothermen sowie einer endothermen Reaktion in benachbarten Reaktionsleitungen zum Wärmeaustausch. Die endotherme Reaktion ist hierbei eine Reformierungsreaktion (JP '838) oder die Dehydrogenierung von Ethylbenzol zu Styrol (US '375). Die exotherme Reaktion ist in beiden Fällen eine Verbrennungsreaktion. Die Reaktionsleitungen verlaufen parallel zueinander.JP 06-111838 A and US 6,482,375 B1 describe reactors for simultaneously carrying out an exothermic and an endothermic reaction in adjacent reaction lines for heat exchange. The endothermic reaction here is a reforming reaction (JP '838) or the dehydrogenation of ethylbenzene to styrene (US' 375). The exothermic reaction is a combustion reaction in both cases. The reaction lines are parallel to each other.

[0009] Die US 5 567 398 A offenbart einen Reaktor zur Durchführung von endothermen Reaktionen. Die zur Durchführung der exothermen Reaktion benötigte Wärme wird durch die Verbrennung von Treibstoff und Luft in einer Verbrennungskammer erzeugt. Wird der Reaktor zur Gewinnung von Wasserstoff eingesetzt, so kann ein zusätzliches katalytisches Material eingesetzt werden, welches einerseits die Wasserstoffausbeute erhöht und andererseits den Kohlenmonoxidausstoß verringert. Die Reaktionsleitungen verlaufen parallel zueinander.US 5 567 398 A discloses a reactor for carrying out endothermic reactions. The heat needed to effect the exothermic reaction is generated by the combustion of fuel and air in a combustion chamber. If the reactor is used to recover hydrogen, then an additional catalytic material can be used, which on the one hand increases the hydrogen yield and on the other hand reduces carbon monoxide emissions. The reaction lines are parallel to each other.

[0010] Die US 6 180 846 B1 beschreibt die indirekte Zuführung von Wärme in eine erste Reaktionszone, in der eine endotherme Reaktion stattfindet, durch Inkontaktbringen der Reaktanden mit in einer zweiten Reaktionszone gebildeten Verbrennungsgasen. Ein Beispiel ist die Umsetzung von Ethylbenzol durch katalytische Dehydrogenierung zu Styrol. Die hierfür erforderliche Wärme wird durch Verbrennung des bei dieser Reaktion entstandenen Wasserstoffs erzeugt. Die beiden Reaktionszonen sind parallel zueinander angeordnet.US Pat. No. 6,180,846 B1 describes the indirect introduction of heat into a first reaction zone in which an endothermic reaction takes place by contacting the reactants with combustion gases formed in a second reaction zone. An example is the reaction of ethylbenzene by catalytic dehydrogenation to styrene. The heat required for this purpose is generated by combustion of the hydrogen formed in this reaction. The two reaction zones are arranged parallel to one another.

[0011] Aus US-A-2007/0054801 ist ein Dehydrierungskatalysatorbettsystem zur Olefin-Herstellung bekannt, das mit einem üblichen Chromoxid/Aluminiumoxid- Dehydrierungskatalysator arbeitet und eine zusätzliche Komponente enthält, die katalytisch inert für die Dehydrierungsreaktion oder Seitenreaktionen ist, die jedoch Wärme erzeugt, wenn sie reduzierenden oder oxidierenden Reaktionsbedingungen ausgesetzt wird. Die Wärme erzeugende, inerte Komponente kann zum Beispiel eine ähnliche Dichte und Wärmekapazitäten wie α-Aluminiumoxid haben, und kann insbesondere Kupferoxid auf einem Aluminiumoxid-Träger sein, wobei das Kupferoxid wenigstens 8 Gew.-% der wärmeerzeugenden, inerten Komponente ausmacht. Ähnlich wie bei dem aus US-A-2,419,997 bekannten Houdry-Verfahren erfolgt die Dehydrierung in mehreren Stufen, wobei das Katalysatorbett evakuiert, mit Wasserstoff reduziert und wieder evakuiert wird und dann ein aliphatischer Kohlenwasserstoff eingeführt und dehydriert wird, worauf das Katalysatorbett mit Dampf gespült und regeneriert wird. Dieser Zyklus wird wiederholt, wobei mit der Reduzierung begonnen wird.From US-A-2007/0054801 a dehydrogenation catalyst bed system for olefin production is known, which works with a conventional chromia / alumina dehydrogenation catalyst and contains an additional component which is catalytically inert for the dehydrogenation reaction or side reactions but which generates heat when exposed to reducing or oxidizing reaction conditions. The heat-generating inert component may, for example, have a similar density and heat capacities as α-alumina, and may in particular be copper oxide on an alumina support, the copper oxide constituting at least 8% by weight of the heat-generating, inert component. Similar to the Houdry process known from US Pat. No. 2,419,997, the dehydrogenation is carried out in several stages, wherein the catalyst bed is evacuated, reduced with hydrogen and evacuated, and then an aliphatic hydrocarbon is introduced and dehydrogenated, whereupon the catalyst bed is purged with steam and is regenerated. This cycle is repeated, starting with the reduction.

[0012] Man könnte daran denken, die Temperatur im Auslassbereich desOne might think of the temperature in the outlet of the

Katalysatorbetts durch den Einbau von Wärmetauscherrohren zu erhöhen. Die Installation von Wärmetauscherrohren nur im Auslassbereich des Katalysatorbetts würde das Temperaturprofil jedoch nicht wesentlich verbessern, solange herkömmliche Verfahren zur Wärmeerzeugung eingesetzt würden. Die Führung von Verbrennungsgasen durch Rohre mit kleinem Durchmesser würde nämlich zu einer Überhitzung des Einlassbereichs der Rohre und zu niedrigen Temperaturen im Auslassbereich der Rohre führen, also zu einem großen Temperaturgradienten längs der Wärmetauscherrohre und in dem Katalysatorbett, wodurch sich wiederum die Selektivität verschlechtern würde.Catalyst bed by installing heat exchanger tubes to increase. However, the installation of heat exchanger tubes only in the outlet area of the catalyst bed would not significantly improve the temperature profile as long as conventional methods of heat generation exist would be used. In fact, the passage of combustion gases through small diameter tubes would result in overheating of the inlet area of the tubes and low temperatures in the outlet area of the tubes, ie a large temperature gradient along the heat exchanger tubes and in the catalyst bed, which in turn would degrade selectivity.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

[0013] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist ein Verfahren zur Durchführung einer endothermen Reaktion unter Einsatz eines katalytischen Reaktors, das im Wesentlichen semi-adiabatisch und semi-isotherm ist.The object underlying the invention is a method for carrying out an endothermic reaction using a catalytic reactor which is substantially semi-adiabatic and semi-isothermal.

[0014] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der zweite Strömungsweg Metall/Metalloxid auf einem Träger enthält und in dem zweiten Strömungsweg abwechselnd das Metall oxidiert und das Metalloxid reduziert werden. Der Träger kann insbesondere Partikel oder die Innenseite von Rohren sein. Die beiden Strömungswege haben zwar zueinander thermischen Kontakt, sie sind dabei aber räumlich voneinander getrennt.According to the invention, this object is achieved in a method of the type mentioned above in that the second flow path metal / metal oxide on a support and in the second flow path alternately oxidizes the metal and the metal oxide are reduced. The carrier may in particular be particles or the inside of tubes. Although the two flow paths have thermal contact with each other, but they are spatially separated from each other.

[0015] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Volumen des zweitenIn the method according to the invention, the volume of the second

Strömungswegs mit Partikeln gefüllt, die mit dem Metall oder Metalloxid versehen sind, oder sind die Innenseiten der den zweiten Strömungsweg begrenzenden Wände mit dem Metall/Metalloxid beschichtet, das sich reduzieren bzw. oxidieren lässt. Der Katalysator wird zyklisch betrieben, und zwar mit Reduktions- und Oxidationsphasen, wobei die abwechselnde Oxidierung und Reduzierung von Metall bzw. Metalloxid in dem zweiten Strömungsweg so gesteuert wird, dass die gewünschte Temperatur erzielt wird. Die Länge der Reduktions- und Oxidationsphasen hängt auch von der Größe des Reaktors und der Größe der Partikel ab. Je größer der Reaktor und je größer die Metall/Metalloxid-Partikel sind, desto länger sind die Reduktions- und Oxidationsphasen. Ein Zyklus, der aus einer Reduktionsphase und einer Oxidationsphase besteht, kann zwischen 3 Sekunden und 15 Minuten dauern. Vorzugsweise liegt seine Dauer zwischen 1 und 2 Minuten.Flow path filled with particles, which are provided with the metal or metal oxide, or the inner sides of the walls defining the second flow path are coated with the metal / metal oxide, which can be reduced or oxidized. The catalyst is operated cyclically with reduction and oxidation phases wherein the alternating oxidation and reduction of metal or metal oxide in the second flow path is controlled to achieve the desired temperature. The length of the reduction and oxidation phases also depends on the size of the reactor and the size of the particles. The larger the reactor and the larger the metal / metal oxide particles, the longer the reduction and oxidation phases. A cycle consisting of a reduction phase and an oxidation phase can be between 3 Take seconds and 15 minutes. Preferably, its duration is between 1 and 2 minutes.

[0016] Dadurch, dass die Wärme über den zweiten Strömungsweg verteilt erzeugt wird, bildet sich innerhalb des zweiten Strömungswegs kein Temperaturgradient aus, sondern ist die Temperatur entlang des zweiten Strömungswegs konstant also semi-isotherm. Die innerhalb des zweiten Strömungswegs erzeugte Wärme wird auch praktisch vollständig in dem ersten Strömungsweg aufgenommen und dringt daher nicht nach außen, so dass das Verfahren semi-adiabatisch ist.Characterized in that the heat is generated distributed over the second flow path, formed within the second flow path no temperature gradient, but the temperature along the second flow path is thus constant so that it is semi-isothermal. The heat generated within the second flow path is also absorbed almost completely in the first flow path and therefore does not penetrate outward, so that the method is semi-adiabatic.

[0017] Im Allgemeinen ist der Reaktor zylindrisch und vorzugsweise verläuft der erste Strömungsweg von der Mitte des zylindrischen Reaktors radial von innen nach außen, wobei die Zuführung der Reaktanten durch einen axialen, zentralen Kanal des Reaktors erfolgt. Der zweite Strömungsweg verläuft dagegen vorzugsweise achsparallel in Wärmetauscherrohren. Durch die Anordnung der Wärmetauscherrohre kann der Temperaturverlauf innerhalb des ersten Strömungswegs gesteuert werden. Die achsparallelen Wärmetauscherrohre des zweiten Strömungswegs sind daher in dem Bereich des Reaktors angeordnet, in dem die Temperatur des ersten Strömungswegs erhöht werden soll. Da auf dem ersten Strömungsweg, d.h. dem Katalysatorbett, eine endotherme Reaktion stattfindet, sinkt die Temperatur normalerweise zum Ende des ersten Strömungswegs hin ab. Durch Anordnung der Wärmetauscherrohre innerhalb des ersten Strömungswegs kann dieser Temperaturabfall kompensiert werden, so dass eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung entlang des ersten Strömungswegs erreicht wird. Dadurch kann über den gesamten Verlauf des ersten Strömungswegs die Temperatur auf dem Wert gehalten werden, der für die durchgeführte endotherme Reaktion optimal ist und die höchste Ausbeute oder Konversion ergibt.In general, the reactor is cylindrical and preferably the first flow path from the center of the cylindrical reactor extends radially from the inside to the outside, wherein the supply of the reactants takes place through an axial, central channel of the reactor. By contrast, the second flow path preferably runs parallel to the axis in heat exchanger tubes. The arrangement of the heat exchanger tubes, the temperature profile can be controlled within the first flow path. The paraxial heat exchanger tubes of the second flow path are therefore arranged in the region of the reactor in which the temperature of the first flow path is to be increased. Since on the first flow path, i. As the catalyst bed undergoes an endothermic reaction, the temperature normally decreases toward the end of the first flow path. By arranging the heat exchanger tubes within the first flow path, this temperature drop can be compensated, so that a very uniform temperature distribution along the first flow path is achieved. Thereby, over the entire course of the first flow path, the temperature can be kept at the value which is optimal for the endothermic reaction carried out and gives the highest yield or conversion.

[0018] Der Rohrdurchmesser kann zwischen 10 mm und 20 cm liegen und die Anzahl der Rohre kann zwischen 10 und 10.000 liegen, wobei die Anzahl umso größer ist, je kleiner der Rohrdurchmesser ist. Die Rohre sind im Allgemeinen rund, können jedoch jeden beliebigen Querschnitt haben. Bei einem länglichen rechteckigen Querschnitt ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen größer als bei einem runden Querschnitt, so dass dann auch die Wärmeabgabe erhöht ist.The tube diameter may be between 10 mm and 20 cm and the number of tubes may be between 10 and 10,000, wherein the number is greater, the smaller the tube diameter. The tubes are generally round, but may be of any cross section. at an elongated rectangular cross-section, the ratio of surface to volume is greater than a round cross-section, so that then the heat output is increased.

[0019] In den Zuführleitungen der Wärmetauscherrohre sind Ventile installiert, die ein schnelles Umschalten von einem sauerstoffhaltigen Gas wie Luft auf ein reduzierendes Gas, z.B. ein Wasserstoff enthaltendes Gas ermöglichen, wobei vorzugsweise dazwischen eine Spülung des Systems mit Stickstoff, Wasserdampf oder einem inerten Gas erfolgt.In the feed pipes of the heat exchanger tubes are installed valves which allow rapid switching from an oxygen-containing gas such as air to a reducing gas, e.g. allow a hydrogen-containing gas, preferably between them, a purging of the system with nitrogen, water vapor or an inert gas.

[0020] Das für die Wärmeerzeugung verwendete Metall wird auf der Basis der Kinetik der Oxidations- und Reduktionsreaktionen ausgewählt, da es wichtig ist, diese Reaktionen so schnell wie möglich durchzuführen. Außerdem muss das Metall eine ausreichende Stabilität in reduzierender und oxidierender Umgebung besitzen. Während der Reduktions- und Oxidationszyklen erzeugt das in den Wärmetauscher eingebrachte Material Wärme, die durch Wärme erzeugendes Material gespeichert und direkt auf die Wärmetauschflächen übertragen werden kann. In diesem Fall überträgt der stark erhitzte Feststoff die Wärme auf die Wärmetauschflächen und die Gasgemische, die während der Reduktion und Oxidation erzeugt werden.The metal used for the heat generation is selected on the basis of the kinetics of the oxidation and reduction reactions, since it is important to carry out these reactions as quickly as possible. In addition, the metal must have sufficient stability in a reducing and oxidizing environment. During the reduction and oxidation cycles, the material introduced into the heat exchanger generates heat that can be stored by heat generating material and transferred directly to the heat exchange surfaces. In this case, the highly heated solid transfers the heat to the heat exchange surfaces and gas mixtures generated during the reduction and oxidation.

[0021] Als Metalle des Oxidations-/Reduktions-Zyklus kommen die in derAs the metals of the oxidation / reduction cycle in the

US-A-2007/0054801 erwähnten Metalle in Frage, insbesondere Kupfer, Wismut, Chrom und Nickel. Bei ihren Oxiden ist die Reduktion mit Wasserstoff oder Methan exotherm. Infrage kommen auch Eisen, Molybdän, Zink, Kobalt, Zinn, Cer und Mangan. Bei diesen Metallen ist die Reduktion mit Wasserstoff oder Methan leicht endotherm. Da die Oxidationsreaktion bei allen erwähnten Metallen exotherm ist, ergibt sich für den gesamten Oxidations-/Reduktions-Zyklus immer ein exothermer Effekt.US-A-2007/0054801 in question, in particular copper, bismuth, chromium and nickel. For their oxides, the reduction with hydrogen or methane is exothermic. Also suitable are iron, molybdenum, zinc, cobalt, tin, cerium and manganese. For these metals, reduction with hydrogen or methane is slightly endothermic. Since the oxidation reaction is exothermic in all the metals mentioned, an exothermic effect always results for the entire oxidation / reduction cycle.

[0022] Das bevorzugte Metall ist Kupfer. Es liegt vorzugsweise z.B. zu 10The preferred metal is copper. It is preferably e.g. to 10

Gew.-% auf einem Träger aus α-Aluminiumoxid vor, wobei der Träger Kugelform, Ringform oder Tablettenform haben kann oder ein Extrudat mit beliebiger Querschnittsform, zum Beispiel einem sternförmigen Querschnitt (Ribtrusion), sein kann. [0023] Die Rohre können auch auf der Innenseite mit einem Wash-Coating aus dem Metall bzw. Metalloxid versehen sein.Wt .-% on a support of α-alumina, wherein the carrier may have spherical shape, ring shape or tablet form or may be an extrudate of any cross-sectional shape, for example a star-shaped cross-section (ribtrusion). The tubes can also be provided on the inside with a wash coating of the metal or metal oxide.

[0024] Die Gleichungen für die Reduktion und Oxidation sind bei Verwendung eines Wasserstoff-Methan-Gemisches als Reduktionsgas und Sauerstoff als Oxidationsgas folgende:The equations for the reduction and oxidation are the following when using a hydrogen-methane mixture as the reducing gas and oxygen as the oxidizing gas:

Reduktion: MeO + CH4 + H2 → Me + CO2 + H2O + ΔH Oxidation: Me + O2 → MeO + ΔHReduction: MeO + CH 4 + H 2 → Me + CO 2 + H 2 O + ΔH Oxidation: Me + O 2 → MeO + ΔH

[0025] Die Gesamtmenge an Wärme, die während eines Zyklus produziert wird, ist die Summe der Reduktions- und Oxidationsenthalpie.The total amount of heat produced during a cycle is the sum of the reduction and oxidation enthalpy.

[0026] Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der bei der Dehydrierung von Ethylbenzol gebildete Wasserstoff aus dem Styrol/Ethylbenzol/Wasserdampf/Wasserstoff-Gemisch für die Reduktionsphase eingesetzt und kann gegebenenfalls auch mit Methan versetzt werden.In a particularly preferred embodiment of the invention, the hydrogen formed in the dehydrogenation of ethylbenzene from the styrene / ethylbenzene / water vapor / hydrogen mixture is used for the reduction phase and may optionally also be mixed with methane.

[0027] Die für die Reduktion und Oxidation verwendeten Metallverbindungen können entweder in die Rohre eingebracht werden, wobei dann die endotherme Reaktion in dem Raum des Reaktors stattfindet, der die Rohre umgibt. Umgekehrt kann die für die Reduktion und Oxidation verwendete Metallverbindung in den Raum des Reaktors, der die Rohre umgibt, eingefüllt werden, wobei dann die endotherme Reaktion innerhalb der Rohre stattfindet.The metal compounds used for the reduction and oxidation can either be introduced into the tubes, in which case the endothermic reaction takes place in the space of the reactor surrounding the tubes. Conversely, the metal compound used for the reduction and oxidation can be filled in the space of the reactor surrounding the tubes, and then the endothermic reaction takes place inside the tubes.

[0028] Für eine effizientere Dehydrierung ist ein niedrigerer Druckverlust wichtig. Da kleine Katalysatorpellets einen hohen Druckverlust bewirken, sollte eine bestimmte Größe der Katalysatorpellets nicht unterschritten werden. Der Druckverlust hängt jedoch auch von der Länge des ersten Strömungswegs ab, d.h. bei einem zylindrischen Reaktor von dessen Radius, der gleich der Betttiefe ist. Bei einer Betttiefe von 80 bis 90 cm kann die Größe der Katalysatorpellets zum Beispiel 2 bis 6 mm betragen.For more efficient dehydration, lower pressure loss is important. Since small catalyst pellets cause a high pressure drop, a certain size of the catalyst pellets should not be undercut. However, the pressure loss also depends on the length of the first flow path, i. in a cylindrical reactor of its radius, which is equal to the bed depth. For example, with a bed depth of 80 to 90 cm, the size of the catalyst pellets may be 2 to 6 mm.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

[0029] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawing. Show it:

Figur 1 im Vertikalschnitt einen Reaktor für die Dehydrierung von Ethylbenzol, bei dem die zusätzliche Wärme innerhalb der Wärmetauscherrohre erzeugt wird, undFigure 1 in vertical section a reactor for the dehydrogenation of ethylbenzene, in which the additional heat within the Heat exchanger tubes is generated, and

Figur 2 im Horizontalschnitt den Reaktor von Fig. 1.2 shows in horizontal section the reactor of Fig. 1st

Weg(e) zur Ausführung der ErfindungWay (s) for carrying out the invention

[0030] Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Reaktor ist im Wesentlichen zylindrisch. Er weist einen ersten Strömungsweg 10 und einen zweiten Strömungsweg 20 auf, die voneinander räumlich getrennt sind und die zueinander nur in thermischen Kontakt stehen.The reactor shown in Figures 1 and 2 is substantially cylindrical. It has a first flow path 10 and a second flow path 20, which are spatially separated from each other and which are only in thermal contact with each other.

[0031] Der erste Strömungsweg 10 verläuft von einem Einlass 12, der in der Mitte der Oberseite des Reaktors beginnt und sich durch ein Einlassrohr 14 axial durch den Reaktor erstreckt, durch den Innenraum 16 des Reaktors zu einem Ringraum 17, von dem ein Auslass 18 auf dem Umfang des Reaktors wegführen. In der Wand des Einlassrohrs 14 und in der inneren zylindrischen Wand des Ringraums 17 befinden sich Durchbrechungen, die einen Gasdurchtritt ermöglichen.The first flow path 10 extends from an inlet 12, which begins in the middle of the top of the reactor and extends axially through the reactor through an inlet tube 14, through the interior 16 of the reactor to an annulus 17, from which an outlet 18 lead away on the circumference of the reactor. In the wall of the inlet tube 14 and in the inner cylindrical wall of the annular space 17 are openings that allow gas passage.

[0032] Der zweite Strömungsweg 20 verläuft ausgehend von einemThe second flow path 20 extends from a

Einlasssammelraum 22 am Kopf des Reaktors durch Wärmetauscherrohre 24 zu einem Auslasssammelraum 26 am Boden des Reaktors. In den Zuführleitungen zu dem Einlasssammelraum sind Ventile 28 installiert, die ein schnelles Umschalten von einem sauerstoffhaltigen Gas wie Luft auf ein Methan/Wasserstoff-Gemisch und dazwischen auf ein Spül-Gas wie Stickstoff oder Wasserdampf ermöglichen. Die Wärmetauscherrohre 24 sind in dem das Einlassrohr 14 umgebenden Raum 16 in zwei konzentrischen Kreisen achsparallel angeordnet. Die Wärmetauscherrohre 24 kreuzen den ersten Strömungsweg 10 und ermöglichen eine Wärmeübertragung oder Wärmeaustausch zwischen erstem und zweitem Strömungsweg 10, 20. Die Wärmetauscherrohre 24 sind überwiegend im Mittelbereich des ersten Strömungswegs 10 angeordnet, um dort die ansonsten auftretende Temperaturerniedrigung zu kompensieren. Der Radius der konzentrischen Kreise, auf denen die Wärmetauscherrohre 24 angeordnet sind, beträgt daher 50 bis 95 % des Radius des Reaktors.Inlet collecting space 22 at the head of the reactor through heat exchanger tubes 24 to an outlet collecting space 26 at the bottom of the reactor. In the supply lines to the inlet collecting space, valves 28 are installed which allow rapid switching from an oxygen-containing gas such as air to a methane / hydrogen mixture and to a purge gas such as nitrogen or water vapor therebetween. The heat exchanger tubes 24 are arranged axially parallel in the space 16 surrounding the inlet tube 14 in two concentric circles. The heat exchanger tubes 24 intersect the first flow path 10 and allow heat transfer or heat exchange between the first and second flow paths 10, 20. The heat exchanger tubes 24 are arranged predominantly in the central region of the first flow path 10 in order to compensate there for the otherwise occurring temperature decrease. The radius of the concentric circles on which the heat exchanger tubes 24 are arranged is therefore 50 to 95% of the radius of the reactor.

[0033] Da der Temperaturabfall zu Beginn des ersten Strömungsweges 10 am stärksten ist, ist es bisweilen zweckmäßig, die Wärmetauscherrohre 24 bereits bei 20 % des Radius des Reaktors anzuordnen. [0034] Über den Einlass 12 wird Ethylbenzol und überhitzter Wasserdampf (EB + H2O) einer Temperatur zwischen 580 und 650 °C zugeführt. Durch die Durchbrechungen in der Wand des Einlassrohrs 14 tritt das Ethylbenzol-Dampf-Gemisch in den Raum 16 des Reaktors ein, der mit Pellets eines Dehydrierungskatalysators gefüllt. Bei dem Dehydrierungskatalysator handelt es sich um ein Eisen-Kalium-basiertes System. In den Wärmetauscherrohren 24 befinden sich Pellets aus einem Träger aus α-Aluminiumoxid versehen mit Kupfer, wobei das Kupfer einen Anteil von 8 Gew.% der Pellets ausmacht. Das Gemisch aus dem gebildeten Styrol, dem restlichem Ethylbenzol, Wasserstoff und Wasserdampf (STYR. + EB + H2 + H2O) wird durch den Auslass 18 abgezogen.Since the temperature drop at the beginning of the first flow path 10 is the strongest, it is sometimes appropriate to arrange the heat exchanger tubes 24 already at 20% of the radius of the reactor. Ethylbenzene and superheated steam (EB + H 2 O) at a temperature between 580 and 650 ° C is supplied via the inlet 12. Through the apertures in the wall of the inlet tube 14, the ethylbenzene-vapor mixture enters the space 16 of the reactor, which is filled with pellets of a dehydrogenation catalyst. The dehydrogenation catalyst is an iron-potassium based system. In the heat exchanger tubes 24 are pellets of a support of α-alumina provided with copper, wherein the copper accounts for a share of 8 wt.% Of the pellets. The mixture of the formed styrene, residual ethylbenzene, hydrogen and water vapor (STYR. + EB + H 2 + H 2 O) is withdrawn through the outlet 18.

[0035] Die Konversion von Ethylbenzol in Styrol und Wasserstoff ist endotherm, so dass die Temperatur des Ethylbenzol-Dampf-Gemisches beim Durchgang durch die Schüttung des Dehydrierungskatalysators abnehmen würde. Diese Temperaturabnahme wird durch die Zufuhr von Wärme kompensiert, die in den Wärmetauscherrohren 24 durch eine schnelle Abfolge von Oxidations- und Reduktionsreaktionen eines Metalls bzw. eines Metalloxids erzeugt wird. In den Wärmetauscherrohren 24 befinden sich Pellets mit einem geträgerten Metall. Über den Sammeleinlass wird während der Oxidationsphase Luft zugeführt, wodurch das Metall in den Wärmetauscherrohren 24 oxidiert. Diese Reaktion ist exotherm, so dass die Wärmetauscherrohre 24 erhitzt werden und über ihre Oberfläche die Temperatur des Gasgemisches in dem ersten Strömungsweg 10 erhöhen. Dadurch wird die Konversion der Dehydrierung am Ende des ersten Strömungswegs 10 verbessert, da ohne Wärmetauscherrohre 24 die Temperatur hier abfallen würde. Die Menge der zugeführten Luft wird so bemessen, dass nahezu die gesamten Metalloberflächen der in den Wärmetauscherrohren 24 vorhandenen Pellets oxidiert werden. Wenn dies erreicht ist, werden die Wärmetauscherrohre 24 durch Stickstoff gespült, und danach werden die Metalloberflächen der Pellets in den Wärmetauscherrohren durch die Zufuhr eines Gemisches aus Methan und Wasserstoff wieder reduziert. Durch den Wasserstoffanteil oder die Verwendung nur von Wasserstoff kann die Wärmebilanz der Reduktionsreaktion gesteuert werden.The conversion of ethylbenzene to styrene and hydrogen is endothermic, so that the temperature of the ethylbenzene-vapor mixture would decrease as it passes through the bed of the dehydrogenation catalyst. This decrease in temperature is compensated by the supply of heat generated in the heat exchanger tubes 24 by a rapid succession of oxidation and reduction reactions of a metal and a metal oxide, respectively. In the heat exchanger tubes 24 are pellets with a supported metal. Air is supplied via the collection inlet during the oxidation phase, whereby the metal in the heat exchanger tubes 24 is oxidized. This reaction is exothermic, so that the heat exchanger tubes 24 are heated and increase over their surface the temperature of the gas mixture in the first flow path 10. As a result, the conversion of the dehydrogenation at the end of the first flow path 10 is improved, since without heat exchanger tubes 24, the temperature would drop here. The amount of air supplied is sized so that almost all of the metal surfaces of the pellets present in the heat exchanger tubes 24 are oxidized. When this is achieved, the heat exchanger tubes 24 are purged with nitrogen and then the metal surfaces of the pellets in the heat exchanger tubes are reduced again by the supply of a mixture of methane and hydrogen. By the hydrogen content or the Using only hydrogen, the heat balance of the reduction reaction can be controlled.

[0036] In der nachfolgenden Tabelle sind Verfahrensparameter von zwei Vergleichsbeispielen und sechs erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen angegeben. Die Ausführungsbeispiele beschreiben nur den ersten Reaktor und die angegebenen Werte beziehen sich alle auf den ersten Reaktor. Die erfindungsgemäße Erwärmung mittels Wärmetauscherrohre ist nicht auf Anlagen mit einem einzigen Reaktor beschränkt und kann auch in Mehrreaktoranlagen und dort in allen Reaktoren, in einzelnen Reaktoren oder in beliebiger Kombination eingesetzt werden. Durch die Erfindung wird es allerdings ermöglicht, die Anzahl hintereinander geschalteter Reaktoren zu vermindern.In the following table process parameters of two comparative examples and six embodiments of the invention are given. The embodiments describe only the first reactor and the indicated values all refer to the first reactor. The heating according to the invention by means of heat exchanger tubes is not limited to systems with a single reactor and can also be used in multi-reactor plants and there in all reactors, in individual reactors or in any combination. However, the invention makes it possible to reduce the number of reactors connected in series.

[0037] Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen der Tabelle befinden sich die Wärmetauscherrohre etwa in der Mitte des Katalysatorbettes bei einem Radius von zwischen 2,0 und 2,1 m. Der Querschnitt der Wärmetauscherrohre beträgt in diesem 0,1 m breiten Ringbereich etwa 50% der Fläche des Katalysatorbettes.In the embodiments of the table according to the invention, the heat exchanger tubes are located approximately in the middle of the catalyst bed at a radius of between 2.0 and 2.1 m. The cross section of the heat exchanger tubes in this 0.1 m wide ring area is about 50% of the area of the catalyst bed.

[0038] Bei dem Ausführungsbeispiel 1a bewirkt eine Erwärmung in derIn the embodiment 1a causes a heating in the

Katalysatorbettmitte auf 615°C eine Ethylbenzol-Konversion von 52,6 Gew.% über das gesamte Katalysatorbett unter Beibehaltung der Reaktordimension wie im Vergleichsbeispiel 1. Um die Verminderung des aktiven Katalysatorvolumen an Dehydrierungskatalysator durch die Wärmetauscherrohre auszugleichen, wurde im Ausführungsbeispiel 1b der Außendurchmesser des Katalysatorbettes geringfügig vergrößert, um das gleiche Katalysatorvolumen wie im Vergleichsbeispiel 1 zu erreichen. Dadurch wird eine Ethylbenzol-Konversionsrate von 53,3 Gew.% erzielt.Catalyst bed center at 615 ° C an ethylbenzene conversion of 52.6 wt.% Over the entire catalyst bed while maintaining the reactor dimension as in Comparative Example 1. In order to compensate for the reduction of the active catalyst volume of dehydrogenation catalyst through the heat exchanger tubes, 1b in the embodiment of the outer diameter of the catalyst bed slightly increased to achieve the same catalyst volume as in Comparative Example 1. As a result, an ethylbenzene conversion rate of 53.3 wt% is achieved.

[0039] Selbst bei ungenügender Erwärmung in der Katalysatorbettmitte auf nur 600°C wird eine Ethylbenzol-Konversionsrate von 48,6 Gew.% für gleich bleibende Reaktordimension (Ausführungsbeispiel 2a) und 49,2 Gew.% für gleich bleibendes Katalysatorvolumen (Ausführungsbeispiel 2b) erreicht.Even with insufficient heating in the catalyst bed center to only 600 ° C is an ethylbenzene conversion rate of 48.6 wt.% For the same reactor dimension (Embodiment 2a) and 49.2 wt.% For constant catalyst volume (Embodiment 2b) reached.

[0040] Tabelle 1 Table 1

Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0001

Durch die erfindungsgemäße Erwärmung können die erzieltenBy heating the invention can achieved

Konversionsraten für Ethylbenzol und somit die erzielbaren Styrolgehalte zu hoch werden, um zum Beispiel in der nachfolgenden, bereits vorhandenen Destillation vernünftig gehandhabt zu werden. Eine Alternative wäre die Erhöhung der Eduktströme unter Beibehaltung der Konversionsrate, was ebenfalls zu einer erhöhten Styrolproduktion führen würde. Falls auch dies nicht möglich ist, kann einfach die Eintrittstemperatur abgesenkt werden. Im Ausführungsbeispiel 3a ergibt eine Eintrittstemperatur von 585°C mit einer Erwärmung in der Mitte des Katalysatorbetts auf 585°C eine Ethylbenzol-Konversion von 38,8 Gew.% oder im Ausführungsbeispiel 3b ergibt eine Eintrittstemperatur von 583°C mit einer Erwärmung in der Mitte des Katalysatorbetts auf 583°C eine Ethylbenzol-Konversion von 38,5 Gew.%. Das ist die gleiche Ethylbenzol-Konversionrate wie für eine Eintrittstemperatur von 615°C ohne Erwärmung im Katalysatorbett, aber die Selektivität zu Styrol in den Anwendungsbeispielen 3a und 3b ist deutlich verbessert, da die Nebenproduktbildung bei tieferen Einlasstemperaturen niedriger ist. Im Vergleichsbeispiel 2 ohne Erwärmung im Katalysatorbett kann selbst durch eine Erhöhung der Reaktoreinlasstemperatur auf 650°C nur eine Ethylbenzol-Konversionsrate von 49,4 Gew.% erzielt werden, wobei die Nebenproduktbildung durch die hohe Reaktoreinlasstemperatur aber stark ansteigt.Conversion rates for ethylbenzene and thus the recoverable styrene levels are too high to be reasonably handled, for example, in the subsequent, already existing distillation. An alternative would be to increase the educt currents while maintaining the Conversion rate, which would also lead to increased styrene production. If this is not possible, the inlet temperature can simply be lowered. In embodiment 3a, an inlet temperature of 585 ° C with heating in the center of the catalyst bed to 585 ° C gives an ethylbenzene conversion of 38.8% by weight, or in embodiment 3b gives an inlet temperature of 583 ° C with center heating of the catalyst bed at 583 ° C an ethylbenzene conversion of 38.5 wt.%. This is the same ethylbenzene conversion rate as for an entry temperature of 615 ° C without heating in the catalyst bed, but the selectivity to styrene in Use Examples 3a and 3b is significantly improved because by-product formation is lower at lower inlet temperatures. In Comparative Example 2 without heating in the catalyst bed, even by increasing the reactor inlet temperature to 650 ° C, only an ethylbenzene conversion rate of 49.4 wt% can be achieved, but the by-product formation increases sharply due to the high reactor inlet temperature.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 erster Strömungsweg 20 zweiter Strömungsweg10 first flow path 20 second flow path

12 Einlass 22 Einlasssammelraum12 inlet 22 inlet collecting space

14 Einlassrohr 24 Wärmetauscherrohre14 inlet tube 24 heat exchanger tubes

16 Innenraum 26 Auslasssammelraum16 Interior 26 Outlet collection room

17 Ringraum 28 Ventil17 annulus 28 valve

18 Auslass 18 outlet

Claims

Ansprüche claims 1. Verfahren zur semi-adiabatischen, semi-isothermen Durchführung einer endothermen Reaktion unter Einsatz eines katalytischen Reaktors, wobei der Reaktor einen ersten Strömungsweg (10) und einen zweiten Strömungsweg (20) aufweist, die miteinander im Wärmeaustausch stehen, wobei in dem ersten Strömungsweg (10) die endotherme Reaktion an einem Katalysator stattfindet, und in dem zweiten Strömungsweg (20) eine exotherme Reaktion stattfindet, um die für die endotherme Reaktion notwendige Temperatur bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungsweg (20) Metall/Metalloxid enthält und in dem zweiten Strömungsweg (20) abwechselnd das Metall oxidiert und das Metalloxid reduziert werden.A process for the semi-adiabatic, semi-isothermal, endothermic reaction using a catalytic reactor, the reactor having a first flow path (10) and a second flow path (20) heat exchange with each other, in the first flow path (10) the endothermic reaction takes place on a catalyst, and in the second flow path (20) an exothermic reaction takes place to provide the temperature necessary for the endothermic reaction, characterized in that the second flow path (20) contains metal / metal oxide and the second flow path (20) alternately oxidizes the metal and the metal oxide can be reduced. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der zweite Strömungsweg (20) zwischen der Reduzierung und Oxidation des Metalls mit einem Sauerstoff- und wasserstofffreien Gas gespült wird.2. The method of claim 1, wherein the second flow path (20) is purged between the reduction and oxidation of the metal with an oxygen- and hydrogen-free gas. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein zylindrischer Reaktor mit einer Vielzahl achsparalleler Rohre (24) verwendet wird, bei dem der erste Strömungsweg (10) eine axiale Zuführung aufweist und dann in radialer Richtung zwischen den Rohren verläuft und der zweite Strömungsweg (20) durch die Rohre (24) verläuft.3. The method of claim 1 or 2, wherein a cylindrical reactor having a plurality of axially parallel tubes (24) is used, wherein the first flow path (10) has an axial feed and then extends in the radial direction between the tubes and the second flow path ( 20) through the tubes (24). 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Rohre (24) mit Trägermaterial gefüllt sind, deren Oberfläche mit einem Metall versehen ist, welches oxidiert und reduziert werden kann.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the tubes (24) are filled with carrier material whose surface is provided with a metal which can be oxidized and reduced. 5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Trägermaterial in Form von Pellets vorliegt.5. The method of claim 4, wherein the carrier material is in the form of pellets. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei zur Reduktion des Metalloxids in den Rohren (24) des zweiten Strömungswegs (20) diesen eine Mischung teilweise Wasserstoff enthaltendes Gas zugeführt wird und zur Oxidation des Metalls in den Rohren (24) des zweiten Strömungswegs diesen ein Sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird.6. The method of claim 4 or 5, wherein for reducing the metal oxide in the tubes (24) of the second flow path (20) a mixture of partially hydrogen-containing gas is supplied thereto and for oxidation of the metal in the tubes (24) of the second flow path this an oxygen-containing gas is supplied. 7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der bei der Dehydrierung von Ethylbenzol gebildete Wasserstoff aus dem7. The method of claim 6, wherein the hydrogen formed in the dehydrogenation of ethylbenzene from the Styrol/Ethylbenzol/Wasserdampf/Wasserstoff-Gemisch für die Reduktionsphase eingesetzt wird. Styrene / ethylbenzene / water vapor / hydrogen mixture is used for the reduction phase. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Raum zwischen den Rohren des ersten Strömungswegs mit Dehydrierungskatalysator gefüllt ist und auf dem ersten Strömungsweg des Reaktors Ethylbenzol und überhitzter Dampf zu Styrol und Wasserstoff umgesetzt wird.8. A process according to any one of claims 1 to 7, wherein the space between the tubes of the first flowpath is filled with dehydrogenation catalyst and ethylbenzene and superheated steam are converted to styrene and hydrogen in the first flowpath of the reactor. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf dem ersten Strömungsweg (10) Ethylbenzol mittels überhitztem Wasserdampf zu Styrol und H2 dehydriert wird und auf dem zweiten Strömungsweg (20) Metall abwechselnd oxidiert und reduziert wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein on the first flow path (10) ethylbenzene is dehydrogenated by means of superheated steam to styrene and H 2 and on the second flow path (20) metal is alternately oxidized and reduced. 10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Metall Kupfer ist.10. The method of claim 8, wherein the metal is copper. 11. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem ersten Strömungsweg (10) und einem zweiten Strömungsweg (20), die quer zueinander verlaufen und miteinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungsweg (20) Metall/Metalloxid enthält und in dem zweiten Strömungsweg (20) abwechselnd das Metall oxidiert und das Metalloxid reduziert werden.11. Reactor for carrying out the method according to one of claims 1 to 10, having a first flow path (10) and a second flow path (20), which extend transversely to each other and are in heat exchange relationship with each other, characterized in that the second flow path (20) Metal / metal oxide and in the second flow path (20) alternately oxidizes the metal and the metal oxide are reduced. 12. Reaktor nach Anspruch 11 , wobei der erste Strömungsweg (10) und der zweite Strömungsweg (20) räumlich voneinander getrennt sind.12. The reactor of claim 11, wherein the first flow path (10) and the second flow path (20) are spatially separated. 13. Reaktor nach Anspruch 12, wobei der Reaktor zylindrisch ist und der erste Strömungsweg (10) radial und der zweite Strömungsweg (20) parallel zur Längsachse des Reaktors verläuft.The reactor of claim 12, wherein the reactor is cylindrical and the first flow path (10) is radial and the second flow path (20) is parallel to the longitudinal axis of the reactor. 14. Reaktor nach Anspruch 13, wobei der zweite Strömungsweg (20) durch achsparallele Rohre (24) gebildet wird.14. Reactor according to claim 13, wherein the second flow path (20) by axially parallel tubes (24) is formed. 15. Reaktor nach Anspruch 14, wobei die achsparallelen Rohre (24) überwiegend im Endbereich des ersten Strömungswegs (10) angeordnet sind. 15. Reactor according to claim 14, wherein the axially parallel tubes (24) are arranged predominantly in the end region of the first flow path (10).
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