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Gebiet der Anmeldung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Modernisierung eines heterogenen exothermen Synthesereaktors,
der einen äußeren Mantel umfassend
eine Vielzahl von in einem reziprok beabstandeten Verältnis, übereinanderliegenden
Katalysatorbetten aufweist.
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Insbesondere, betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Modernisierung eines Reaktors der voll-öffnenden
An, umfassend die einleitenden Schritte:
– Bereitstellen zumindest eines
ersten Katalysatorbetts in einem oberen Abschnitt des Mantels;
wobei
das erste Bett mit einem ersten Katalysator beladen wird, der eine
vorbestimmte Aktivität
besitzt.
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In der folgenden Beschreibung und
den anschließenden
Ansprüchen
ist mit dem Begriff „Modernisierung" die Modifikation
eines bestehenden Reaktors zum Zweck der Leistungsverbesserung gemeint, um,
zum Beispiel, eine Produktionskapazität und/oder einen Umsetzungsertrag
zu erhalten, die vergleichbar mit jenen eines neu hergestellten
Reaktors sind.
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In der Terminologie dieses Gebiets
wird diese An der Modernisierung auch mit den Begriffen „Retrofitting" oder „Revamping" bezeichnet.
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In der folgenden Beschreibung und
den anschließenden
Ansprüchen
ist mit dem Begriff „oberer Teil
des Mantels" der
Raum innerhalb des Mantels gemeint, der durch den oberen Teil des
Mantels festgelegt ist. Insbesondere, füllt der obere Teil allgemein etwa
20–50%
des Innenraums des Mantels. Im Gegensatz dazu werden die verbleibenden
50–80%
des Innenraums des Mantels als „unterer Teil" bezeichnet.
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Ferner wird in diesem Gebiet mit
dem Begriff „full-opening
Reaktor" generell
ein Reaktor bezeichnet, der einen äußeren Mantel umfasst, der am
Kopfende mit einer Verschlusskappe verschlossen ist, deren Durchmesser
im Wesentlichen dem Durchmesser des Mantels entspricht.
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Entsprechend eines weiteren Aspekts
davon, betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Reaktor wie
auch ein Verfahren zum Ausführen
exothermer heterogener Synthesen.
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Wie bereits bekannt, ist es im Gebiet
der exothermen heterogenen Synthesen und, insbesondere in der Produktion
von Ammoniak und Methanol, wichtig, zwei Voraussetzungen zu erfüllen, nämlich, einerseits
die Produktionskapazität
des bestehenden Synthesereaktors zu erhöhen, und andererseits eine Verbesserung
des Umsetzungsertrags und eine Reduktion des Energieverbrauchs zu
erreichen.
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Stand der
Technik
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Um die obigen Voraussetzungen zu
erfüllen, setzt
sich die sogenannte Technologie der Modernisierung von bestehenden
Reaktoren vermehrt in dem Gebiet durch, da sie versucht eine teuren
Austausch letzterer zu vermeiden und gleichzeitig den maximalen
Umsetzungsertrag und minimalen Energieverbrauch zu erreichen, die
mit dem verfügbaren
Reaktionsraum vereinbar sind.
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Zu diesem Zweck beschreibt die Patentanmeldung
EP-A-0 931 586 ein Verfahren zur Modernisierung, das auf den Austausch
der katalytischen Betten oder Betten des bestehenden Reaktors mit neuen
Betten, bevorzugt des radialen oder axial-radialen Typs, basiert.
Insbesondere, basiert diese Methode auf der Bereitstellung eines
untersten katalytischen Betts im Mantel, das ein kleines Reaktionsvolumen
hat, das mit einem speziellen Katalysator beladen wird, der eine
hohe Reaktionsaktivität
hat, zum Beispiel ein auf Graphit-gestütztem Ruthenium basierten Katalysator.
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Obwohl das obige Verfahren in mancher
Hinsicht vorteilhaft ist, erlaubt das obige Verfahren nicht die
Verwendung einer relativ großen
Menge eines hochaktiven Katalysators, weshalb der durch die Modernisierung
des bestehenden Reaktors erreichbare Umsetzungsertrag und Anstieg
in der Kapazität
limitiert ist.
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Tatsächlich erlaubt in diesem Fall
das Verfahren keinen optimale Ausnützung des Reaktionsraums im
unteren Teil des Reaktors, wo die Umsetzungsreaktion normalerweise
schwieriger ist, durch den hochaktiven Katalysator.
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Das ist aufgrund der Tatsache, dass
die Struktur und Abmessungen der katalytischen Betten in „full-opening" Reaktoren – die generell
ein Höhe/Durchmesser
Verhältnis
höher als
8 haben (im Gegensatz zu den Flaschenhals-„bottleneck"-reaktoren, wo das
Verhältnis
etwa 4 ist) -nicht
geeignet sind, um mit einem Katalysator, der eine hohe Reaktionsaktivität hat, beladen
zu werden, weshalb der Gebrauch eines konventionellen Nieder-Aktivitäts-Katalysators
notwendig ist.
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In dieser Hinsicht muss angemerkt
werden, dass, im Gegensatz zu traditionellen Katalysatoren, die
Katalysatoren, die eine hohe Reaktionsaktivität haben, zum Beispiel die auf
Ruthenium basierten Arten, leicht sind und generell eine besonders
zerbrechliche Struktur haben und mechanischen Stress nicht sehr
widerstehen.
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Deshalb neigen hochaktive Katalysatoren
zu brechen, wodurch sie ihre Effektivität verlieren, wenn sie den durch
die katalytische Masse innerhalb der oben genannten Betten erzeugten
Druckkräften
ausgesetzt sind. Diese Kräfte
entstehen aufgrund der Temperaturvariationen der Reaktionsgase wie
auch in Folge der Erhitzungs- und Kühlungszyklen, denen die Betten
ausgesetzt sind. Dieses Phänomen
ist besonders offensichtlich in den katalytischen Betten oder Betten,
die im unteren Bereich des full-opening Reaktors angeordnet sind.
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Daraus folgt, dass die Verfahren
zur Moderisierung bestehender heterogener exothermer Synthesereaktoren
entsprechend dem Stand der Technik bis jetzt nicht erlauben, die
Potentiale von Katalysatoren mit hoher Reaktionsaktivität in full-opening
Reaktoren bestens auszunützen,
abgesehen von der in dem Gebiet verstärtkt vorhandenen Notwendigkeit, den
Umsetzungsertrag und die Kapazität
dieser Reaktoren zu erhöhen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende
Problem ist, ein Verfahren zur Modernisierung eines exothermen Synthesereaktors
bereitzustellen, das erlaubt, die Umsetzungsrate und die Kapazität, gegenüber was
mit den Verfahren zur Modernisierung nach dem Stand der Technik
erreichbar ist, bei geringen Betriebskosten und geringem Energieverbrauch,
vernünftig
zu steigern.
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Das obige Problem wird gelöst aufgrund
eines Verfahrens der zuvor genannten An, das dadurch charakterisiert
ist, dass es die folgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellen
einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Katalysatorbetten
in einem unteren Abschnitt des Mantels;
- – Beladen
der Katalysatorbetten im unteren Abschnitt des Mantels mit einem
zweiten Katalysator, der eine größere Aktivität besitzt
als jene des ersten Katalysators, der in das zumindest erste Bett
geladen ist.
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Vorteilhaft erlaubt das Verfahren
entsprechend der vorliegenden Erfindung, einen bemerkenswert effizienteren
Reaktor hinsichtlich des Umsetzungsertrags zu erhalten, und deshalb
einen Anstieg der Produktionskapazität aufgrund der Beladung mit einem
hochaktiven Katalysator im gesamten unteren Bereich des selben zu
erzielen. Die äußere Struktur des
Reaktors bleibt unverändert.
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Das ist möglich aufgrund der Bereitstellung einer
Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Katalysatorbetten
im unteren Abschnitt des Reaktors.
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Auf diese Weise ist es vorteilhaft
möglich, den
innerhalb des unteren Abschnitts des Reaktors definierten Reaktionsraum
am besten auszunützen, wobei
er in mehrere Betten geteilt wird, die eine solche Abmessung besitzen,
dass sie angepasst werden können,
einen hochaktiven Katalysator ohne diesen zu schädigen, aufnehmen zu können. All
das zum vollen Vorteil der Umsetzungskapazität und der Produktionskapazität des bestehenden
Reaktors.
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Vorteilhaft werden die Katalysatorbetten
im unteren Abschnitt des Mantels so parallel angeordnet, dass sie
vergleichbar mit einem einzigen großen Bett operieren, zum Beispiel
in der An, die in den zu modernisierenden Reaktoren vorhandenen
Betten, aber eine höhere
Reaktionsaktivität
und eine wesentlich geringere Ladung auf den Katalysator haben.
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Ferner erlaubt die Verwendung eines
hochaktiven Katalysators im gesamten unteren Abschnitt des Reaktors
einen Betrieb bei geringeren Temperaturen verglichen mit Konventionellen,
weshalb auch an den Betriebskosten und dem Energieverbrauch hinsichtlich
der oben genannten Verfahren des Standes der Technik gespart wird.
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Bevorzugt werden die Katalysatorbetten
im unteren Abschnitt des Mantels mit einem auf Graphit-gestütztem Ruthenium
basierten Katalysator beladen, da diese Katalysatorart eine hohe
Reaktionsaktivität
hat und gleichzeitig eine lange Lebensdauer. Tatsächlich neigt
dieser Katalysator nicht zur Abnutzung und hat eine ausgezeichnete
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
den vorhandenen Temperatur- und Druckbetriebsbedingungen innerhalb
des Reaktors.
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Zusätzlich werden entsprechend
einer besonderen und vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden
Verfahrens zur Modernisierung fünf
Katalysatorbetten bereitgestellt. Ein erstes und zweites Katalysatorbett
im oberen Abschnitt des Mantels bzw. ein drittes, ein viertes und
ein fünftes,
parallel zueinander angeordnet, im unteren Abschnitt des Mantels.
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Auf diese Weise werden die kinetische
Konfiguration des Reaktors und die Ausnützung des verfügbaren Reaktionsvolumens
verbessert.
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Mit dem Ausdruck: „Reaktionsvolumen" ist das Volumen
des Katalysatorbetts gemeint, das vom Katalysator belegt ist und,
deshalb, der Raum innerhalb des Betts ist, wo die Synthesereaktion
tatsächlich
stattfindet.
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Entsprechend einem weiteren Aspekt
der Erfindung wird auch ein Verfahren zum Ausführen von hoch-ertragreichen
exotheremen heterogenen Synthesen bereitgestellt, der folgenden
An die folgende Schritte aufweist:
- – Zuleiten
gasförmiger
Reaktionspartner zu einem Synthesereaktor umfassend einen Mantel,
der eine Vielzahl von in einem reziprok beabstandeten Verhältnis, übereinanderliegender
Katalysatorbetten stützt;
- – Reagieren
der gasförmigen
Reaktionspartner in den Katalysatorbetten; welches dadurch gekennzeichnet
ist, dass es weiter die Schritte umfasst:
- – Zuleiten
einer Reaktionsmischung von zumindest einem ersten Katalysatorbett,
das sich in einen oberen Abschnitt des Mantels erstreckt, zu einer
Vielzahl parallel zueinander angeordneter Katalysatorbetten in einem
unteren Abschnitt des Mantels;
- – Strömenlassen
der Reaktionsmischung in die Katalysatorbetten des unteren Abschnitts
des Mantels durch einen Katalysator, der eine größere Reaktionsaktivität besitzt,
bezogen auf die Aktivität
des Katalysators, der in dem zumindest ersten Katalysatorbett geladen
ist;
- – Abziehen
der Reaktionsprodukte, die die Katalysatorbetten im unteren Abschnitt
des Mantels verlassen, aus dem Synthesereaktor.
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Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden, beispielhaften und nicht einschränkenden
Beschreibung einer Ausführungsform
der Erfindung klar, wobei Verweise auf die angeschlossenen Zeichnungen
gemacht werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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In den Zeichnungen:
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1 zeigt
einen Längsschnitt
eines „full-opening" Reaktors zum Ausführen exothermer heterogener
Synthesen entsprechend dem Stand der Technik;
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2 zeigt
einen Längsschnitt
eines Reaktors, der durch Modifikation des Reaktors in 1 mit dem Modernisierungsverfahren
entsprechend der vorliegenden Erfindung erhalten wurde.
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Detaillierte
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
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Unter Bezugnahme auf 1, bezeichnet die Bezugsnummer 1 einen
ganzen „full-opening" Reaktor gemäß dem Stand
der Technik zum Ausführen
exothermer heterogener Synthesen bei hohem Druck und Temperatur
(50–300
bar, 300–500°C), zum Beispiel
für die
Produktion von Ammoniak.
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Reaktor 1 umfasst eine rohrförmige Hülle oder
Mantel 2, der an der Kopfseite durch einen Verschlussdeckel 3 verschlossen
ist, der einen Durchmesser hat der im Wesentlichen dem Durchmesser des
Mantels 2 entspricht. Letzterer ist am unteren Ende mit
entsprechenden Düsen 4 und 5 zum
Einlass der Reaktionsgase und zum Auslass der reagierten Gase ausgestattet.
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Eine Kassette 6 umfassend – im Beispiel
der 1 – drei in
einem reziprok beabstandeten Verhältnis, übereinanderliegender Katalysatorbetten 7a, 7b und 7c,
ist auf eine bekannte Weise innerhalb des Mantels 2 gestützt.
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Innerhalb von jedem Katalysatorbett 7a–7c ist
ein konventioneller Eisen (Magnetit) Katalysator von kleiner Körnung (nicht
in der Figur dargestellt).
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Die Katalysatorbetten 7a–7c sind
im oberen Teil offen und sind versehen mit gasdurchlässigen Seitenwänden, dargestellt
mit strichlierten Linien und bezeichnet mit der Bezugsummer 8,
wie auch mit einem Boden 9, der nicht gasdurchlässig ist,
um ein axial-radiales kreuzen der gasförmigen Reagenzien durch die
Betten zu ermöglichen.
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Boden 9 des letzten Katalysatorbetts 7c entspricht
auch dem Boden der Kassette 6.
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Die im Zusammenhang mit dem Kopf
der Katalysatorbetten 7a–7c gezeigte strichlierte
Linie grenzt das obere von den Katalysatoren innerhalb der Betten
erreichte Niveau ab und definiert zusammen mit den Seitenwänden 8 und
dem Boden 9 das Reaktionsvolumen der Betten.
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Ein im Wesentlichen ringförmiger Raum 10, der
von den kühlen
Reaktionsgasen gekreuzt wird, hat die Funktion, den Mantel 2 vor
den hohen Reaktionstemperaturen die sich innerhalb des Reaktors 2 entwickeln
zu schützen
und, gleichzeitig, die gasförmigen
Reagenzien vorzuwärmen.
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Danach wird das Vorheizen der gasförmigen Reagenzien
innerhalb von zwei Gas-Gas Wärmeaustauschern 12 und 13 abgeschlossen,
die konventionell gestützt
innerhalb der Katalysatorbetten 7a bzw. 7b sind.
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Dann sorgt ein Rohr 14 für die Lieferung
der gasförmigen
Reagenzien von der Kammer 11 zum Boden 13a des
Wärmeaustauschers 13,
der in Flüssigkommunikation
mit dem Eingang des ersten Katalysatorbetts 7a durch die
Rohre der Austauscher 13 und 12 ist.
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Die Wärmeaustauscher 12 und 13 sind
auf der Rohrseite reziprok in Reihe verbunden, zum Beispiel durch
eine Labyrinthverbindung 13b.
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Das Vorheizen der gasförmigen Reagenzien wird
ausgeführt
durch indirekten Wärmeaustausch mit
den heißen
Gasen, die die Katalysatorbetten 7a und 7b verlassen,
welche im Gegenzug abkühlen.
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Im Gegensatz dazu werden die Reaktionsprodukte,
die das letzte Katalysatorbett 7c verlassen nicht abgekühlt.
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Reaktor 1 umfasst ferner
Rohre 15 und Verteiler 16, die eine toroide Form
haben für
das Einführen
kühler
oder „gedämpfter" Reaktionsgase vor
dem ersten Katalysatorbett 7a zwecks Kontrolle der Temperatur
der Reaktionsgase.
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Zuletzt sorgt ein Rohr oder eine
Leitung 17, die koaxial bis zum Katalysatorbett 7b reicht,
im Reaktor 1 für
das Abziehen der Reaktionsprodukte von den Katalysatorbetten und
die endgültige
Entfernung aus dem Reaktor 1 durch die Düse 5.
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In 1 zeigt
Pfeil F die verschiedenen Wege des Gases durch den Raum 10,
durch die Betten 7a–7c und
Wärmeaustauscher 12–13.
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2 zeigt
als Ganzes einen Reaktor für
die exotherme heterogene Synthese, der durch Modifikation des Reaktors
in 1 entsprechend dem
Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wurde.
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In dieser Figur werden die Details
des Reaktors 1, die in Struktur oder Funktion äquivalent
zu den zuvor unter Bezugnahme auf 1 gezeigten
sind, mit den selben Bezugsnummern bezeichnet und werden nicht weiter
beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
beschränkt
auf die Modernisierung eines full-opening Reaktors mit einem Abschlussdeckel,
der im Wesentlichen den gleichen Durchmesser hat wie der Mantel, aber
kann vorteilhaft für
die Modernisierung jeden Typs von Reaktor mit ein oder mehreren
Katalysatorbetten für
die exotherme heterogene Synthese umgesetzt werden und, deshalb,
auch für
die „in-situ" Modernisierung von
Reaktoren der sogenannte Kellog-Art oder Flaschenhals-„bottleneck"-Art, die eine Deckel
mit einem Durchmesser haben, der kleiner als der des Mantels ist.
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Gemäß eines einleitenden Schritts
des vorliegenden Verfahrens wird die Kassette 6 des Reaktors 1 von
ihrem Inhalt geleert und ein erstes Katalysatorbett 18 und
ein zweites Katalysatorbett 19 – unterhalb des Ersten – in einem
oberen Abschnitt 2a innerhalb des Mantels 2 angeordnet.
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Katalysatorbetten 18 und 19 sind äquivalent zu
den Betten 7a und 7b des Reaktors entsprechend dem
Stand der Technik in 1.
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In einem weiteren Schritt des vorliegenden Verfahrens
zur Modernisierung wird eine Vielzahl von Katalysatorbetten 20–22 vorteilhaft
in einem unteren Abschnitt 2b des Mantels 2 bereitgestellt
und die Betten sind parallel zueinander angeordnet.
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Zusätzlich wird gemäß der Erfindung
ein erster Katalysator (nicht in der Figur dargestellt), der eine
vorbestimmte Aktivität
hat, in das erste und das zweite Katalysatorbett, 18 bzw. 19,
geladen, wohingegen ein zweiter Katalysator (nicht in der Figur
dargestellt), der eine höhere
Reaktionsaktivität
als der erste in die anderen Betten geladenen Katalysator hat, in
die Katalysatorbetten 20–22 im unteren Abschnitt 2b des
Mantels 2 geladen.
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Der Katalysator der ersten An, geladen
in die Betten 18 und 19, wird zum Beispiel gebildet
aus einem konventionellen Eisen-basierten Katalysator von kleiner
Granulierung (Magnetit), wohingegen der Katalysator der zweiten
An, der in die Katalysatorbetten 20.22 geladen
wird, vorteilhaft eine Ruthenium-basierter Katalysator ist und,
bevorzugt, ein auf Graphitgestütztem
Ruthenium basierter Katalysator ist.
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Die Reaktionsaktivität des letzteren
Katalysators reicht normalerweise vom fünf- bis zwanzigfachen der Aktivität eines
konventionellen Eisen-basierten Katalysators.
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Zu diesem Zweck sind die Betten 20–22 geeignet
dimensioniert, dass sie einen hochaktiven Katalysator ohne dessen
Schädigung
aufnehmen können.
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Entsprechend den Forschungen, die
die Anmelderin ausgeführt
hat, ist es bevorzugt, dass die Höhe der Katalysatorbetten 4 Meter
nicht übersteigt, so
dass der Druck oder die auf den Katalysator innerhalb wirkenden
Presskräfte
innerhalb tolerierbarer Bereiche bleibt. Zum Beispiel wurden besonders
vorteilhafte Ergebnisse erzielt mit Katalysatorbetten 20–22 im
unteren Abschnitt des modernisierten Reaktors 1, die eine
Höhe zwischen
2.5 und 3.5 Meter haben.
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Aufgrund der Schritte der Bereitstellung
einer Vielzahl von Katalysatorbetten im unteren Abschnitt des Mantels
und des Beladens der Betten mit einem hochaktiven Katalysator ist
es möglich,
einen Anstieg des Umsetzungsertrags um bis zu 130% zu erhalten,
gegenüber
dem Ertrag, der mit dem Reaktor in 1 erzielbar
ist. Darüberhinaus
werden auch Einsparungen hinsichtlich der Betriebskosten und des
Energieverbrauchs erhalten.
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So ein Ertragsanstieg, der vorteilhaft
einen drastischen Anstieg der Produktionskapazität des modernisierten Reaktors
bringt, rechtfertigt vollständig
die notwendigen Investitionskosten für die Ausführung des Verfahrens der Modernisierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, insbesondere die Ausgaben aufgrund der Verwendung eines
Katalysators mit einer hohen Reaktionsaktivität, wie ein Rutheniumkatalysator,
der momentan viel teurer ist als die konventionellen Nieder-Aktivitäts-Katalysatoren.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich hauptsächlich
aufgrund der Verwendung eines Katalysators mit einer hohen Reaktionsaktivität im gesamten
unteren Abschnitt des Mantels, wo die Reaktionsgeschwindigkeit wesentlich
geringer ist als im oberen Abschnitt, wegen der Bereitstellung in
diesem Abschnitt von einer Vielzahl von geeignet dimensionierten
und parallel zueinander angeordneten Katalysatorbetten.
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Wie in 2 gezeigt
wird entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens der Erfindung eine optimale Verteilung des Reaktionsvolumens
und daher des Katalysators (sowohl des der konventionellen Art als
auch des der hochaktiven Art) erhalten durch die Bereitstellung von
zwei Katalysebetten 18 und 19, in Serie, im oberen
Abschnitt 2a des Mantels 2, und von drei Katalysatorbetten 20–22,
parallel zueinander, im unteren Abschnitt 2b.
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In jedem Fall kann die Anzahl der
Katalysatorbetten innerhalb des Reaktors 1 verschieden
von der in 2 gezeigten
sein, entsprechend den strukturellen Charakteristiken des zu modernisierenden Reaktors
und der Betriebsbedingungen. Zum Beispiel ist es möglich 2
bis 5 Katalysatorbetten im unteren Abschnitt 2b des Mantels 2 bereitzustellen,
die mit einem Katalysator beladen sind, der eine hohe Reaktionsaktivität hat.
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Entsprechend einem weiteren Merkmal
der vorliegenden Erfindung wird jedes Katalysatorbett 20–22 im
unteren Abschnitt 2b des Mantels 2 ausgestattet
mit – an
sich bekannten – Mitteln
zum Erhalten eines radialen oder axial-radialen Gasstroms durch sie.
Die Mittel können,
zum Beispiel, eine geeignet perforierte, entgegengesetzte gasdurchlässige Wand 23 für den Einlass
und Auslass des Gases und einen Boden 24, der nicht gasdurchlässig ist,
umfassen.
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Dadurch wird der durch Strom der
Reaktionsmischung durch die Katalysatorbetten 20–22 verursachte
Ladungsverlust vorteilhaft reduziert, wodurch auch der Energieverbrauch
und die Betriebskosten reduziert werden.
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Mittel dieser Art zur Realisierung
eines axial-radialen Gasstroms innerhalb der Katalysatorbetten werden
beschrieben, zum Beispiel, im US Patent Nr. 4,755,362, dessen Beschreibung
hiermit als Referenz miteingeschlossen ist.
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Im Fall eines axial-radialen Stroms
durch die Katalysatorbetten 20–22 ist eine optimale
Verwendung einer Katalysatormasse mit hoher Reaktionsaktivität möglich, so
dass alle Bereiche des Katalysators von der Reaktionsmischung erfasst
werden und keiner unberührt
bleibt, was einen Verlust im Reaktionsertrag und den Investitionskosten
bewirken würde.
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Wie in 2 gezeigt,
umfassen die Katalysebetten 20–22 im unteren Abschnitt 2b des
Mantels vorteilhaft entsprechende gasdurchlässige Oberflächen für den Eintritt
der Reaktionsgase, wobei hier auf die externen gasdurchlässigen Seitenwände 23 bezogen
wird. Die Wände 23 sind
in Flüssigkommunikation
mit dem zweiten Katalysebett 19 im oberen Abschnitt 2b des
Mantels 2. Darüberhinaus
umfassen die Katalysebetten 20–22 entsprechende
gasdurchlässige
Oberflächen
für den
Austritt der Reaktionsgase, wobei hier auf die internen gasdurchlässigen Wände 23 bezug
genommen wird, die in Flüssigkommunikation
mit dem Rohr 17 für
den Abfluss der Gase sind.
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Abgesehen davon, dass der Katalysator
mit hoher Reaktionsaktivität,
zum Beispiel der Typ basierend auf Graphit-gestütztem Ruthenium, ziemlich leicht
und zerbrechlich ist, ist er auch empfindlich gegenüber Temperatur.
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Tatsächlich wurde festgestellt,
dass im Gegensatz zu konventionellen Katalysatoren mit geringer
Reaktionsaktivität,
die hoch-aktiven Katalysatoren irreversible Schäden wegen der Methanisierungsreaktion
zwischen dem Kohlenstoff des Graphits und des in der Reaktionsmischung
vorhandenen Wasserstoffs erleiden, wenn sie auf Temperaturen über 450°C während der
exothermen Synthesereaktion erhitzt werden.
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Zu diesem Zweck wurde in dem Beispiel
der 2 mit den axial-radialen
Katalysatorbetten gefunden, dass es bevorzugt ist, die Katalysatorbetten 20–22 im
unteren Teil 2b des Mantels mit einem ersten Katalysator
mit vorbestimmter Aktivität – zum Beispiel
ein auf Eisen basierter (Magnetit) Katalysator – in den obersten Teil 25 der
Betten zu laden, durchkreuzt von den Reaktionsgasen mit einer im
Wesentlichen axialen Bewegung, und mit einem zweiten Katalysator,
der eine größere Aktivität als der
erste Katalysator hat – zum
Beispiel Graphitgestütztes
Ruthenium – in
den verbleibenden Teil der Betten 20–22 zu laden, die
von den Reaktionsgasen mit einer im Wesentlichen radialen Bewegung
gekreuzt werden.
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Tatsächlich ist es im oberen Teil
der Katalysatormasse möglich,
die von den Reaktionsgasen mit einer im Wesentlichen axialen Bewegung
gekreuzt werden, dass die Verbleibzeit der Gase zusammen mit bestimmten
Betriebsbedingungen (zum Beispiel einem Druck von etwa 200 bar oder
mehr) ausreicht, um die Temperatur auf etwa 450°C oder mehr ansteigen zu lassen.
Das würde
irreversible Schäden
dem Katalysator mit hoher Reaktionsaktivität zufügen, wodurch auch ein Verlust
beim Umsetzungsertrag und den Investitionskosten eintritt.
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Als ein Folge kann vorteilhafter
in einigen Situationen, im Gegensatz was man erwarten würde, die
Verwendung von schmalen Schichten konventioneller Katalysatoren
von geringer Aktivität – zum Beispiel
auf Eisen basierte (Magnetit) Katalysatoren – in den obersten Teil 25 der
Katalysatorbetten 20–22 angeordnet
werden, als diese Betten nur mit einem hochaktiven Katalysator zu
beladen. Das ist aufgrund dessen, dass der konventionelle Katalysator
nicht bei hohen Temperaturen geschädigt wird, die sich im axialen
Teil der Betten 20–22 entwickeln
können,
wodurch in allen Fallen ein bestimmter Umsetzungsertrag garantiert
wird.
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Im Gegensatz dazu ist dieses Problem
nicht im Hauptteil der Katalysatorbetten 20–22 vorhanden, die
von der Reaktionsmischung mit einer im Wesentlichen radialen Bewegung
gekreuzt werden, und deshalb werden diese vorteilhaft mit einem
Katalysator geladen, der eine hohe Reaktionsaktivität hat.
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Zusätzlich ist es möglich, aufgrund
der Gegenwart dieser Schichten der konventionellen Art mit geringer
Reaktionsaktivität,
den teuren und zerbrechlichen hochaktiven Katalysator von möglichen
hohen Geschwindigkeiten der Reaktionsgase, die in die Katalysatorbetten 20–22 eintreten,
zu schützen.
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Beispielsweise können die Katalysatorschichten
der konventionellen Art mit geringer Reaktionsaktivität, die im
obersten Teil 25 der Katalysatorbetten 20–22 angeordnet
sind und von den Reaktionsgasen mit einer im Wesentlichen axialen
Bewegung gekreuzt werden, zwischen 5% und 30% der gesamten Höhe der Betten
erreichen.
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Die Schritte des Verfahrens der Modernisierung
entsprechend der vorliegenden Erfindung können unabhängig von der Reihenfolge, in
der sie in der vorliegenden Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen aufgelistet
sind, entsprechend den besonderen Anforderungen der Umsetzung, die
von Fall zu Fall wechseln können,
ausgeführt
werden.
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Entsprechend einem weiteren Aspekt
der vorliegenden Erfindung kann ein Reaktor zum Ausführen exothermer
heterogener Synthesen durch obiges Modernisierungsverfahren erhalten
werden, oder er kann vorteilhaft als ein völlig Neuer hergestellt werden.
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Zu diesem Zweck ist ein Reaktor 1 umfassend
einen äußeren Mantel 2 und
zumindest ein erstes Katalysatorbett (18–19),
das in den oberen Teil 2a des Mantels 2 reicht,
dadurch gekennzeichnet, dass er weiter eine Vielzahl von Katalysatorbetten 20-22 umfasst,
die parallel zueinander in einem unteren Teil 2b des Mantels 2 angeordnet
sind.
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Die Kennzeichen und Vorteile des
mit obigen Modernisierungsverfahren erhaltenen Reaktors, der unter
Bezugnahme auf 2 beschrieben
wird, können
auch in einem neu hergestellten Reaktor gefunden werden, und werden
deshalb nicht in der folgenden Beschreibung wiederholt.
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Sowohl wenn er neu hergestellt wird,
als auch wenn er durch Modernisierung eines bestehenden Reaktors
erhalten wird, erlaubt der in dem Beispiel der 2 gezeigte Reaktor exotherme heterogene
Synthesen mit hohem Umsetzungsertrag und Produktionskapazität und mit
geringem Energieverbrauch entsprechend dem folgenden Verfahren auszuführen.
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Gasförmige Reagenzien – wie, zum
Beispiel, Wasserstoff und Stickstoff oder Methan und Dampf – die dem
Reaktor 1 durch die Düse 4 zugeführt werden,
werden im Raum 10 und den Wärmetauschern 13 und 12 vorerhitzt.
Dann werden sie dem ersten Katalysatorbett 18 zugeführt, das
eine konventionellen Katalysator umfasst, zum Beispiel einen Eisen-basierten
(Magnetit) Katalysator.
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Die Temperatur der gasförmigen Reagenzien,
die dem ersten Katalysatorbett 18 zugeführt werden, wird auf den gewünschten
Werten geregelt, sowohl durch einen ersten Teil kühler oder „quench" gasförmiger Reagenzien,
die dem Reaktor 1 durch den Verteiler 16 zugeführt werden,
als auch durch einen zweiten Teil kühler gasförmiger Reagenzien, die dem
Reaktor durch das Rohr 15 zugeführt werden und im Wärmetauscher 12 vorerhitzt
werden.
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Danach wird die das mit einem axial-radialen zentripetalen
Strom gekreuzte Katalysatorbett 18 verlassende Reaktionsmischung
zentral gesammelt und wird – auf
der Mantelseite – dem
Wärmetauscher 12 zugeführt, wo
sie teilweise aufgrund des indirekten Wärmeaustausch mit dem Strom
der kühlen
Reaktionsgase, die an der Rohrseite fließen, gekühlt wird.
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Die so gekühlte Reaktionsmischung wird dann
dem folgenden Katalysatorbett 19 zugeführt, das mit einem konventionellen
Katalysator, zum Beispiel einen Eisen-basierten (Magnetit) Katalysator, geladen
ist.
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Eine zweite Reaktionsmischung verlässt das mit
einem zentripetal axial-radial Strom gekreuzte Katalysatorbett 13.
Diese Reaktionsmischung ist mit Reaktionsprodukten angereichert
und wird – auf
der Mantelseite – dem
Wärmetauscher 13 zugeführt, wo sie
teilweise aufgrund des indirekten Wärmeaustausches mit dem Strom
der kühlen
Reaktionsgase auf der Rohrseite abgekühlt wird.
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Vorteilhaft wird die so gekühlte Reaktionsmischung
den Katalysatorbetten 20–22 zugeführt, die parallel
im unteren Abschnitt 2b des Mantels 2 angeordnet
sind. Entsprechend der Erfindung werden die Katalysatorbetten 20–22 mit
einem Katalysator, der eine hohe Reaktionsaktivität hat, bevorzugt
einem auf Grahit-gestütztem
Ruthenium basierten Katalysator, geladen.
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Aufgrund der Gegenwart des hochaktiven Katalysators
in den Katalysatorbetten 20–22 ist es vorteilhaft
möglich,
konventionell mit vergleichsweise geringen Reaktionstemperaturen
zu arbeiten, geringer als jene der Rektionsmischung, die in die
vorherigen Katalysatorbetten 19-19 eintritt, wodurch bei den
Betriebskosten und dem Energieverbrauch gespart wird.
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Schließlich kommt die endgültige mit
Reaktionsmischung aus den mit einem zentripetal axial-radialen Strom gekreuzten
Katalysatorbetten 20–22 heraus.
Diese endgültige
Reaktionsmischung wird im zentralen Rohr 17 gesammelt,
bevor sie endgültig aus
dem Reaktor 1 durch die Düse 5 abgeschieden wird.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Verfahren entsprechen der vorliegenden Erfindung den
Schritt, einen ersten Teil der Reaktionsmischung in den obersten
Teil 25 der Katalysatorbetten 20–22 im
unteren Teil des Mantels mit einer im Wesentlichen axialen Bewegung
durch einen ersten Katalysator mit vorherbestimmter Aktivität, und einen
zweiten Teil der Reaktionsmischung durch den verbleibenden Teil
der Betten 20–22 mit
einer im Wesentlichen radialen Bewegung durch eine zweiten Katalysator,
der eine größere Aktivität als der erste
Katalysator hat, strömen
zu lassen.
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Die sich aus der vorliegenden Erfindung
ergebenden verschiedenen Vorteile werden aus der obigen Offenbarung
unmittelbar offensichtlich; insbesondere, ist es möglich, den
Umsetzungsertrag und die Produktionskapazität eines bestehenden Reaktors
zu erhöhen
und gleichzeitig sowohl Betriebskosten als auch Energieverbrauch
zu senken.