EP2192975A1 - Reactor and method for the production thereof - Google Patents
Reactor and method for the production thereofInfo
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- EP2192975A1 EP2192975A1 EP08801889A EP08801889A EP2192975A1 EP 2192975 A1 EP2192975 A1 EP 2192975A1 EP 08801889 A EP08801889 A EP 08801889A EP 08801889 A EP08801889 A EP 08801889A EP 2192975 A1 EP2192975 A1 EP 2192975A1
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- EP
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- heat exchanger
- plates
- catalyst
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- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
- F28D9/0037—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
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- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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- B01J19/0006—Controlling or regulating processes
- B01J19/0013—Controlling the temperature of the process
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- B01J19/248—Reactors comprising multiple separated flow channels
- B01J19/2485—Monolithic reactors
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- B01J8/04—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds
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- B01J8/0449—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the flow within the beds being predominantly vertical in two or more cylindrical beds
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- B01J8/04—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds
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- B01J2208/00008—Controlling the process
- B01J2208/00017—Controlling the temperature
- B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
- B01J2208/00168—Controlling the temperature by indirect heat exchange with heat exchange elements outside the bed of solid particles
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- B01J2208/00212—Plates; Jackets; Cylinders
Definitions
- the present invention relates to a chemical reactor for the reaction of fluid reaction mixtures. It further relates to a process for the preparation of this reactor and its use.
- WO 01/54806 discloses a reactor comprising a reaction zone and plate-type heat exchange means in operative communication with the reaction zone, wherein the heat exchange means is composed of a plurality of metal plates positioned one on top of the other. Fluid flow channels are formed in the metal plates according to a predetermined pattern. The metal plates are aligned, when juxtaposed, to define discrete heat exchange paths for fluids and bonded by diffusion bonding. Disadvantages of diffusion welding, however, are that very high demands are made on the surface quality of the components to be joined with regard to roughness, purity, dimensional accuracy and planarity.
- Another disadvantage is the production conditions: it is a high vacuum needed, high joining temperatures of up to about 1000 ° C and the associated energy consumption, long standstill and process times and restrictions on the basic materials and material combinations. The resulting costs of such products can drastically reduce their use. With regard to the materials, at higher temperatures, as occur in diffusion welding, the risk that the workpiece warps thermally and that due to structural changes, the strength of the workpiece suffers. Alternative joining methods are discussed in the context of microreactors.
- DE 102 51 658 A1 discloses that, for the production of microstructure components, at least the joining surfaces of microstructured component layers of aluminum and / or aluminum alloys, copper / copper alloys and / or stainless steels have at least one multifunctional barrier layer and a solder layer applied to the at least one barrier layer, the component layers stacked and then soldered under heat.
- this publication relates to microstructure components.
- a chemical reactor for reacting fluid reaction mixtures comprising at least one adiabatic reaction zone, which comprises a catalyst bed, and further comprising at least one heat exchanger following the reaction zone, the heat exchanger comprising layers stacked and interconnected with one another, the individual plates having at least two separate fluid flow channels according to a predetermined pattern and the plates provided with fluid flow channels are arranged such that the reaction mixture in a first flow path direction and the heat exchange medium used in the heat exchanger in a second Strömungswegides flow through the heat exchanger, wherein the plates in the at least a heat exchanger are connected by brazing.
- the reaction zones contain catalyst beds.
- Catalyst bed is understood here to mean an arrangement of the catalyst in all known forms, for example a fixed bed, a fluidized bed or a fluidized bed. Preferred is a fixed bed arrangement. This comprises a catalyst bed in the true sense, ie loose, supported or unsupported catalyst in any form and in the form of suitable packings.
- catalyst bed as used herein also encompasses contiguous areas of suitable packages on a support material or structured catalyst supports. These would be, for example, to be coated ceramic honeycomb carrier with comparatively high geometric surfaces or corrugated layers of metal wire mesh on which, for example, catalyst granules is immobilized.
- the heat exchanger is constructed so that it can be described as a succession of stacked and interconnected plates.
- the plates are fluid flow incorporated channels through which a fluid from one side of a plate to the other side, for example to the opposite side, can flow.
- the channels can be linear, thus forming the shortest possible path. However, they can also form a longer path by being laid out according to a wavy, meandering or zigzag pattern.
- the cross-sectional profile of the channels may, for example, be semicircular, elliptical, square, rectangular, trapezoidal or triangular. Having at least two separate fluid flow channels per plate means that these channels pass over the plate and the fluid flowing therein can not change between the channels.
- the flow path direction may be defined by the vector between the plane in which the starting points of the fluid flow channels lie and the plane in which the end points of the fluid flow channels of a plate or plate stack lie. So she gives the general
- Flow path direction is the direction in which the process gas mixture flows through the heat exchanger or, in continuation, through the reaction zone.
- a second flow path direction designates the path of the heat exchange medium. This can, for example, in direct current,
- the heat exchanger works so effectively that the temperature of the process gas mixture on entering the catalyst bed of the next reaction zone, even when the reaction starts, does not lead to a local overheating of the catalyst.
- brazing means that, by definition, a solder having a melting temperature of> 450 ° C. is used. At lower melting temperatures one speaks of soft soldering, which also has a lower mechanical strength of the solder joint result. In the context of the present invention, the solder may also have an upper limit of the melting temperature of ⁇ 900 0 C, ⁇ 1 100 0 C or ⁇ 1200 0 C. Brazing is also known by the term brazing.
- the material of the plates of the heat exchanger is selected from the group comprising stainless steel, 1.4571, nickel and / or nickel-based alloy. These materials Due to their mechanical and chemical resistance they are suitable for use in heat exchangers.
- the plates of the heat exchanger are interconnected by solder, which is selected from the group comprising Kupferbasislot, silver-containing solder, cadmium- and silver-containing solder and / or nickel-based solder. These solders are suitable for their mechanical and chemical resistance.
- the catalyst bed is formed as a structured packing in the reactor.
- the catalyst is present in the catalyst bed as a monolithic catalyst.
- structured catalysts such as monoliths, structured packings, as well as coated catalysts has mainly a reduction of the pressure loss to the advantage.
- a further advantage of the use of structured catalysts is that shorter diffusion paths of the reactants are necessary in the thinner catalyst layers, which can be accompanied by an increase in the catalyst selectivity.
- channels can be incorporated, wherein the hydraulic diameter of the channels> 0.1 mm to ⁇ 10 mm, preferably> 0.3 mm to ⁇ 5 mm, more preferably> 0.5 mm to ⁇ 2 mm.
- the specific surface area of the catalyst increases as the hydraulic diameter decreases. If the diameter is too small, too much pressure loss occurs. Furthermore, in the case of an impregnation with a catalyst suspension, a channel can also clog.
- the hydraulic diameter of the fluid flow channels in the heat exchanger is> 10 ⁇ m to ⁇ 10 mm, preferably> 100 ⁇ m to ⁇ 5 mm, more preferably> 1 mm to ⁇ 2 mm. With these diameters, an effective heat exchange is particularly ensured.
- the reactor comprises> 6 to ⁇ 50, preferably> 10 to ⁇ 40, more preferably> 20 to ⁇ 30 sequences of reaction zone and heat exchanger.
- the use of materials can be optimized with regard to the reaction of reactants. A smaller number of reaction zones would result in an unfavorable temperature control.
- the inlet temperature of the reaction mixture would have to be chosen lower, which would make certain catalysts less active. Farther then the average temperature of the reaction also drops. A higher number would not justify the cost and material costs due to the low increase in sales.
- corrosive gases such as HCl, O 2 and Cl 2 requires resistant and correspondingly expensive materials for the reactor.
- the length of at least one reaction zone, measured in the flow path direction of the reaction mixture is> 0.01 m to ⁇ 5 m, preferably> 0.03 m to ⁇ 1 m, more preferably> 0.05 m to ⁇ 0.5 m.
- the reaction zones can all be the same length or different in length.
- the early reaction zones may be short, as there are sufficient starting materials available and excessive heating of the reaction zone should be avoided.
- the late reaction zones can then be long to increase the overall conversion of the process, with less fear of overheating the reaction zone.
- the catalyst in the reaction zones independently of one another comprises substances which are selected from the group comprising copper, potassium, sodium, chromium, cerium, gold, bismuth, iron, ruthenium, osmium, uranium, cobalt, rhodium, Iridium, nickel, palladium and / or platinum and oxides, chlorides and / or oxychlorides of the aforementioned elements.
- Particularly preferred compounds include: copper (I) chloride, copper (II) chloride, copper (I) oxide, copper (II) oxide, potassium chloride, sodium chloride, chromium (III) oxide, chromium (RV) oxide, chromium (VI) oxide, bismuth oxide, ruthenium oxide, ruthenium chloride, ruthenium oxychloride and / or rhodium oxide.
- the catalyst can be applied to a carrier.
- the carrier fraction may comprise: titanium oxide, tin oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, vanadium oxide, chromium oxide, uranium oxide, silicon oxide, silica, carbon nanotubes or a mixture or compound of said substances, in particular mixed oxides, such as silicon-aluminum oxides. Further particularly preferred carrier materials are tin oxide and carbon nanotubes.
- the ruthenium-supported catalysts can be obtained, for example, by impregnation of the support material with aqueous solutions of RuC.sub.1 and, if appropriate, of a promoter for doping.
- the shaping of the catalyst can take place after or preferably before the impregnation of the support material.
- the catalysts are suitable as promoters alkali metals such as lithium, sodium, rubidium, cesium and especially potassium, alkaline earth metals such as calcium, strontium, barium and especially magnesium, rare earth metals such as scandium, yttrium, praseodymium, neodymium and especially lanthanum and cerium, furthermore cobalt and Manganese and mixtures of the aforementioned promoters.
- the moldings can then be dried at a temperature of> 100 0 C to ⁇ 400 0 C under a nitrogen, argon or air atmosphere and optionally calcined.
- the moldings are first dried at> 100 0 C to ⁇ 150 0 C and then calcined at> 200 0 C to ⁇ 400 0 C.
- the particle size of the catalyst independently of each other> 1 mm to ⁇ 10 mm, preferably> 1.5 mm to ⁇ 8 mm, more preferably> 2 mm to ⁇ 5 mm.
- the particle size may correspond to the diameter for approximately spherical catalyst particles or, for approximately cylindrical catalyst particles, for expansion in the longitudinal direction.
- the mentioned particle size ranges have been found to be advantageous since with smaller particle sizes, a high pressure loss occurs and with larger particles, the usable particle surface decreases in proportion to the particle volume and thus the achievable space-time yield is lower.
- the catalysts or the supported catalysts can have any desired form, for example spheres, rods, Raschig rings or granules or tablets.
- the catalyst in the reactor in different reaction zones, has a different activity, wherein preferably the activity of the catalyst in the reaction zones, seen along the flow path direction of the reaction mixtures, increases.
- a catalyst having a lower activity can be selected.
- An effect of this is also that less expensive catalysts can be used.
- more active catalysts can be used there.
- An example of a change in catalyst activity would be when the activity in the first reaction zone is 30% of the maximum activity and increases per reaction zone in increments of 5%, 10%, 15% or 20% until the activity in the last reaction zone is 100%. is.
- the activity of the catalyst can be adjusted, for example, by the fact that, given the same base material of the support, the same promoter and the same catalytically active compound, the quantitative proportions of the catalytically active compound are different.
- particles without activity can also be added.
- the heat exchange medium which flows through a heat exchanger selected from the group comprising liquids, boiling liquids, gases, organic heat carriers, molten salts and / or ionic liquids, wherein preferably water, partially evaporating water and / or water vapor selected become.
- a heat exchanger selected from the group comprising liquids, boiling liquids, gases, organic heat carriers, molten salts and / or ionic liquids, wherein preferably water, partially evaporating water and / or water vapor selected become.
- a heat exchanger selected from the group comprising liquids, boiling liquids, gases, organic heat carriers, molten salts and / or ionic liquids, wherein preferably water, partially evaporating water and / or water vapor selected become.
- the constant evaporation temperature is advantageous because it allows a uniform heat removal across all reaction channels.
- the regulation of the Reaktandentemperatur can be done via the adjustment of the pressure level and thus the temperature for the evaporation of the heat exchange medium.
- a further subject of the present invention is a method for producing a reactor according to the present invention, wherein the production of the heat exchanger comprises the following steps:
- a roughness depth of ⁇ 100 .mu.m, preferably of ⁇ 25 .mu.m is achieved in step a).
- a protective compound is introduced into the fluid flow channels in step b) before the solder is applied to the upper side of the webs, the protective compound being suitable for preventing the penetration of solder into the fluid flow channels and the protective composition after application the lot is removed again.
- the protective mass may line or fill the fluid flow channels. The removal of the protective compound can be done by leaching or by melting out. The protective compound prevents the solder clogging the fluid flow channels.
- the heat input takes place in an inert and / or reducing protective gas atmosphere in step d).
- an inert inert gas atmosphere is argon or nitrogen gas.
- An example of a reducing inert gas atmosphere is hydrogen gas.
- FIG. 1 a chemical reactor according to the invention
- FIG. 2 two plates of the heat exchanger
- FIG. 3 interconnected plates of the heat exchanger
- FIG. 1 shows a chemical reactor 1 according to the invention.
- the reactor is suitable for reacting fluid reaction mixtures which flow through the reactor.
- the reaction mixture is introduced via inlet 12 into the reactor. Initially, it flows through a heat exchanger 4.
- This heat exchanger like the following heat exchangers, comprises a sequence of two plates 5 and 6.
- the plates which are lined up alternately, have fluid flow channels.
- 5 fluid flow channels 7 are shown in cross section on the first plates. Through this a heat exchange medium can flow.
- the fluid flow channels of the second plates 6 run in the direction of the flowing reaction mixtures and are therefore not shown in the illustration of FIG.
- reaction zone 2 This is designed for adiabatic reaction.
- a catalyst bed 3 is shown in honeycomb shape. The reaction mixture leaves the reaction zone and enters the next heat exchanger, where it is brought to the desired temperature. This sequence of reaction zone and heat exchanger is repeated until the reaction mixture leaves the reactor through the outlet 13 again.
- FIG. 2 shows two plates 5 and 6 of the heat exchanger 4.
- the representation can be understood as a section of an exploded view of the heat exchanger.
- the first plate 5 has semicircular, straight running fluid flow channels 7.
- the flow path direction, which is given by the fluid flow channels 7, is represented by the drawn vector A-> B. Between the fluid flow channels 7 are webs with a surface. 9
- the second plate 6 in FIG. 2 likewise has semicircular, straight-running fluid flow channels 8. They are perpendicular to the channels 7 of the first plate 5.
- the flow path direction, which is given by the fluid flow channels 8, is represented by the drawn vector C- ⁇ D. Accordingly, this vector is perpendicular to the vector A ⁇ B.
- Between the fluid flow channels 8 are webs with a surface 10th
- FIG. 3 shows plates 5 and 6 of the heat exchanger 4 connected to one another in a stack.
- the plates 5 and 6 are alternately stacked on one another.
- the fluid flow channels 7 of the plates 5 define a first flow path direction represented by the vector A- »B.
- the fluid flow channels 8 of the plates 6 define a second flow path direction represented by the vector C-> D.
- the top plate 5 is closed by a cover plate 1 1. This cover plate may also constitute part of the shell of the reactor.
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Abstract
The present invention relates to a chemical reactor (1) for the conversion of liquid reaction mixtures, comprising at least one adiabatic reaction zone (2), which comprises a catalyst bed (3), and also comprising at least one heat exchanger (4), following the reaction zone (2), wherein the heat exchanger (4) comprises plates (5, 6) stacked one on top of the other and connected to one another, the individual plates (5, 6) have at least two fluid flow channels (7, 8) according to a predetermined pattern, and the plates provided with fluid flow channels (7, 8) are arranged in such a way that the reaction mixture flows through the heat exchanger (4) in a first flow path direction and the heat exchange medium used in the heat exchanger (4) flows through the heat exchanger (4) in a second flow path direction. The plates (5, 6) in the at least one heat exchanger (4) are connected to one another by brazing.
Description
Reaktor und Verfahren zu dessen Herstellung Reactor and process for its production
Die vorliegende Erfindung betrifft einen chemischen Reaktor zur Umsetzung von fluiden Reaktionsgemischen. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung dieses Reaktors und dessen Verwendung.The present invention relates to a chemical reactor for the reaction of fluid reaction mixtures. It further relates to a process for the preparation of this reactor and its use.
In der Mehrzahl von chemischen Prozessen muss entweder Wärme zugeführt oder abgeführt werden. Folglich beschäftigen sich viele Teile von chemischen Anlagen damit, Fluide zu beherbergen oder zu bewegen, welche an bestimmten Stellen des Prozesses erhitzt oder gekühlt werden müssen. Viele industriell genutzte chemische Prozesse verwenden Reaktoren, in denen die Edukte unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt werden. Fast alle der Reaktionen erzeugen oder nehmen Wärme auf, das heißt, sie sind exotherm oder endotherm. Die Kühlung aufgrund der endothermen Reaktion beeinflusst in der Regel die Reaktionsgeschwindigkeit und die damit zusammenhängenden Parameter wie Umsatz und Selektivität. Eine unkontrollierte Erwärmung durch exotherme Reaktionen beschädigt in der Regel die Reaktionsapparatur. Im Falle eines unkontrollierten Temperaturanstiegs, wenn also die Reaktion durchgeht, können unerwünschte Nebenprodukte gebildet werden und der verwendete Katalysator deaktiviert werden. Während weiterhin ein idealer Katalysator durch das Reaktionsgeschehen nicht verändert wird, werden in der Realität viele Katalysatoren deaktiviert oder vergiftet, so dass im industriellen Maßstab die Kosten der Katalysatorregenerierung oder des Katalysatoraustausches einen beträchtlichen Kostenpunkt darstellen.In the majority of chemical processes, either heat must be supplied or removed. As a result, many parts of chemical plants are occupied with harboring or moving fluids that need to be heated or cooled at certain points of the process. Many industrially used chemical processes use reactors in which the starting materials are reacted under certain pressure and temperature conditions in the presence of a catalyst. Almost all of the reactions produce or absorb heat, that is, they are exothermic or endothermic. Cooling due to the endothermic reaction usually affects the reaction rate and related parameters such as conversion and selectivity. Uncontrolled heating by exothermic reactions usually damages the reaction apparatus. In the case of an uncontrolled increase in temperature, ie, when the reaction passes, undesirable by-products can be formed and the catalyst used can be deactivated. Furthermore, while an ideal catalyst is not altered by the reaction process, in reality many catalysts are deactivated or poisoned, so that on an industrial scale the cost of catalyst regeneration or catalyst exchange represents a significant cost.
WO 01/54806 offenbart einen Reaktor, umfassend eine Reaktionszone und Wärmeaustauschmittel des Plattentyps in operativer Verbindung mit der Reaktionszone, worin das Wärmeaustauschmittel aus einer Mehrzahl von aufeinander positionierten Metallplatten aufgebaut ist. In den Metallplatten werden gemäß einem vorbestimmten Muster Fluidströmungskanäle gebildet. Die Metallplatten werden beim Aufeinanderpositionieren so ausgerichtet, dass diskrete Wärmeaustauschwege für Fluide definiert werden und mittels Diffusionsschweißen verbunden. Nachteile des Diffusionsschweißens sind aber, dass an die Oberflächengüte der zu verbindenden Bauteile sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Rauheit, Reinheit, Formgenauigkeit und Planarität gestellt werden. Weiterhin von Nachteil sind die Herstellbedingungen: es wird ein Hochvakuum benötigt, hohe Fügetemperaturen von bis zu etwa 1000°C und der damit verbundene Energieaufwand, lange Stand- und Prozesszeiten sowie Einschränkungen hinsichtlich der Grundmaterialien und Materialkombinationen. Die daraus resultierenden Kosten solcher Produkte können den Einsatz drastisch einschränken. Bezüglich der Werkstoffe besteht bei höheren Temperaturen, wie sie beim Diffusionsschweißen vorkommen, die Gefahr, dass sich das Werkstück thermisch verzieht und dass aufgrund von Gefügeänderungen die Festigkeit des Werkstücks leidet.
Alternative Fügeverfahren werden im Zusammenhang mit Mikroreaktoren diskutiert. So offenbart DE 102 51 658 Al , dass zur Herstellung von Mikrostrukturbauteilen mindestens auf die Fügeflächen von mikrostrukturierten Bauteillagen aus Aluminium und/oder Aluminiumlegierungen, Kupfer/Kupferlegierungen und/oder Edelstahlen mindestens eine multifunktionelle Barriereschicht und auf die mindestens eine Barriereschicht eine Lotsschicht aufgebracht, die Bauteillagen gestapelt und dann unter Wärmeeinwirkung gelötet werden. Diese Veröffentlichung bezieht sich aber auf Mikrostrukturbauteile.WO 01/54806 discloses a reactor comprising a reaction zone and plate-type heat exchange means in operative communication with the reaction zone, wherein the heat exchange means is composed of a plurality of metal plates positioned one on top of the other. Fluid flow channels are formed in the metal plates according to a predetermined pattern. The metal plates are aligned, when juxtaposed, to define discrete heat exchange paths for fluids and bonded by diffusion bonding. Disadvantages of diffusion welding, however, are that very high demands are made on the surface quality of the components to be joined with regard to roughness, purity, dimensional accuracy and planarity. Another disadvantage is the production conditions: it is a high vacuum needed, high joining temperatures of up to about 1000 ° C and the associated energy consumption, long standstill and process times and restrictions on the basic materials and material combinations. The resulting costs of such products can drastically reduce their use. With regard to the materials, at higher temperatures, as occur in diffusion welding, the risk that the workpiece warps thermally and that due to structural changes, the strength of the workpiece suffers. Alternative joining methods are discussed in the context of microreactors. For example, DE 102 51 658 A1 discloses that, for the production of microstructure components, at least the joining surfaces of microstructured component layers of aluminum and / or aluminum alloys, copper / copper alloys and / or stainless steels have at least one multifunctional barrier layer and a solder layer applied to the at least one barrier layer, the component layers stacked and then soldered under heat. However, this publication relates to microstructure components.
Aus dem Vorangegangenen wird deutlich, dass weiterhin der Bedarf an einem chemischen Reaktor besteht, der nicht auf den Mikrostrukturmaßstab beschränkt ist, der als mehrstufiger Adiabaten- reaktor konzipiert werden kann, der kostengünstiger und mit einer geringeren thermischen Belastung als bisher durch Diffusionsschweißen möglich hergestellt werden kann.It will be appreciated from the foregoing that there remains a need for a chemical reactor that is not limited to the microstructure scale that can be designed as a multi-stage adiabatic reactor that can be made more inexpensively and with less thermal stress than previously possible by diffusion welding ,
Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch einen chemischen Reaktor zur Umsetzung von fluiden Reaktionsgemischen, umfassend mindestens eine adiabatische Reaktionszone, welche ein Katalysatorbett umfasst sowie weiterhin umfassend mindestens einen auf die Reaktionszone folgenden Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher aufeinander geschichtete und miteinander verbundene Platten umfasst, die einzelnen Platten gemäß einem vorherbestimmten Muster mindestens zwei voneinander getrennte Fluidströmungskanäle aufweisen und die mit Fluidströmungskanälen versehenen Platten so angeordnet sind, dass das Reaktionsgemisch in einer ersten Strömungswegrichtung und das im Wärmetauscher verwendete Wärmeaustauschmedium in einer zweiten Strömungswegrichtung den Wärmetauscher durchströmen, wobei die Platten in dem mindestens einen Wärmetauscher durch Hartlöten miteinander verbunden sind.The object is achieved according to the present invention by a chemical reactor for reacting fluid reaction mixtures, comprising at least one adiabatic reaction zone, which comprises a catalyst bed, and further comprising at least one heat exchanger following the reaction zone, the heat exchanger comprising layers stacked and interconnected with one another, the individual plates having at least two separate fluid flow channels according to a predetermined pattern and the plates provided with fluid flow channels are arranged such that the reaction mixture in a first flow path direction and the heat exchange medium used in the heat exchanger in a second Strömungswegrichtung flow through the heat exchanger, wherein the plates in the at least a heat exchanger are connected by brazing.
In den Reaktionszonen befinden sich Katalysatorbetten. Unter Katalysatorbett wird hier eine Anordnung des Katalysators in allen an sich bekannten Erscheinungsformen, beispielsweise Festbett, Fließbett oder Wirbelbett verstanden. Bevorzugt ist eine Festbettanordnung. Diese umfasst eine Katalysatorschüttung im eigentlichen Sinn, also losen, geträgerten oder ungeträgerten Katalysator in beliebiger Form sowie in Form von geeigneten Packungen.The reaction zones contain catalyst beds. Catalyst bed is understood here to mean an arrangement of the catalyst in all known forms, for example a fixed bed, a fluidized bed or a fluidized bed. Preferred is a fixed bed arrangement. This comprises a catalyst bed in the true sense, ie loose, supported or unsupported catalyst in any form and in the form of suitable packings.
Der Begriff der Katalysatorschüttung, wie er hier verwendet wird, umfasst auch zusammenhängende Bereiche geeigneter Packungen auf einem Trägermaterial oder strukturierte Katalysatorträger. Dies wären zum Beispiel zu beschichtende keramische Wabenträger mit vergleichsweise hohen geometrischen Oberflächen oder gewellte Schichten aus Metalldrahtgewebe, auf denen beispielsweise Katalysatorgranulat immobilisiert ist.The term catalyst bed as used herein also encompasses contiguous areas of suitable packages on a support material or structured catalyst supports. These would be, for example, to be coated ceramic honeycomb carrier with comparatively high geometric surfaces or corrugated layers of metal wire mesh on which, for example, catalyst granules is immobilized.
Der Wärmetauscher ist so aufgebaut, dass er als eine Abfolge von aufeinander geschichteten und miteinander verbundenen Platten beschrieben werden kann. In den Platten sind Fluidströmungs-
kanäle eingearbeitet, durch die ein Fluid von einer Seite einer Platte zur anderen Seite, beispielsweise zur gegenüberliegenden Seite, strömen kann. Die Kanäle können linear sein, also den kürzestmöglichen Weg ausbilden. Sie können aber auch einen längeren Weg ausbilden, indem sie gemäß einem wellenförmigen, mäanderförmigen oder zickzackförmigen Muster angelegt sind. Das Querschnittsprofϊl der Kanäle kann beispielsweise halbkreisförmig, elliptisch, quadratisch, rechteckig, trapezförmig oder dreieckig sein. Dass pro Platte mindestens zwei voneinander getrennte Fluidströmungskanäle vorhanden sind bedeutet, dass diese Kanäle über die Platte verlaufen und das darin strömende Fluid nicht zwischen den Kanälen wechseln kann.The heat exchanger is constructed so that it can be described as a succession of stacked and interconnected plates. In the plates are fluid flow incorporated channels through which a fluid from one side of a plate to the other side, for example to the opposite side, can flow. The channels can be linear, thus forming the shortest possible path. However, they can also form a longer path by being laid out according to a wavy, meandering or zigzag pattern. The cross-sectional profile of the channels may, for example, be semicircular, elliptical, square, rectangular, trapezoidal or triangular. Having at least two separate fluid flow channels per plate means that these channels pass over the plate and the fluid flowing therein can not change between the channels.
Die Strömungswegrichtung kann durch den Vektor zwischen der Ebene, in der die Anfangspunkte der Fluidströmungskanäle liegen und der Ebene, in der die Endpunkte der Fluidströmungskanäle einer Platte oder eines Plattenstapels liegen, definiert werden. Sie gibt also die allgemeineThe flow path direction may be defined by the vector between the plane in which the starting points of the fluid flow channels lie and the plane in which the end points of the fluid flow channels of a plate or plate stack lie. So she gives the general
Richtung der Strömung des Fluids durch den Wärmetauscher an. So bezeichnet eine ersteDirection of the flow of fluid through the heat exchanger. This is the name of a first
Strömungswegrichtung die Richtung, in der das Prozessgasgemisch durch den Wärmetauscher oder, in Fortführung, durch die Reaktionszone strömt. Eine zweite Strömungswegrichtung bezeichnet den Weg des Wärmeaustauschmediums. Dieses kann beispielsweise im Gleichstrom,Flow path direction is the direction in which the process gas mixture flows through the heat exchanger or, in continuation, through the reaction zone. A second flow path direction designates the path of the heat exchange medium. This can, for example, in direct current,
Gegenstrom oder Kreuzstrom zum Prozessgasgemisch strömen.Countercurrent or crossflow flow to the process gas mixture.
Insgesamt arbeitet der Wärmetauscher so effektiv, dass die Temperatur des Prozessgasgemisches beim Eintritt in das Katalysatorbett der nächsten Reaktionszone auch bei einsetzender Reaktion nicht dazu führt, dass eine lokale Überhitzung des Katalysators eintritt.Overall, the heat exchanger works so effectively that the temperature of the process gas mixture on entering the catalyst bed of the next reaction zone, even when the reaction starts, does not lead to a local overheating of the catalyst.
Das Verbinden der Platten in dem mindestens einen Wärmetauscher mittels Hartlöten bedeutet, dass man definitionsgemäß ein Lot mit einer Schmelztemperatur von > 4500C einsetzt. Bei geringeren Schmelztemperaturen spricht man vom Weichlöten, welches auch eine geringere mechanische Festigkeit der Lotverbindung zur Folge hat. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Lot auch eine Obergrenze der Schmelztemperatur von < 9000C, < 1 1000C oder < 12000C aufweisen. Das Hartlöten ist auch unter dem englischen Begriff brazing bekannt.The joining of the plates in the at least one heat exchanger by means of brazing means that, by definition, a solder having a melting temperature of> 450 ° C. is used. At lower melting temperatures one speaks of soft soldering, which also has a lower mechanical strength of the solder joint result. In the context of the present invention, the solder may also have an upper limit of the melting temperature of <900 0 C, <1 100 0 C or <1200 0 C. Brazing is also known by the term brazing.
Durch das Verlöten der Platten des Wärmetauschers wird es ermöglicht, mit geringerem Energieeinsatz einen Wärmetauscher und somit insgesamt einen erfindungsgemäßen chemischen Reaktor bereitzustellen. Durch die geeignete Auswahl eines Lotes lassen sich auch Materialkombinationen der einzelnen Platten zusammenfügen, die einem Diffusionsschweißen nicht zugänglich sind.By soldering the plates of the heat exchanger, it is possible to provide a heat exchanger and thus a total of a chemical reactor according to the invention with a lower energy input. By a suitable choice of a solder and material combinations of the individual plates can be joined, which are not accessible to a diffusion welding.
In einer Ausführungsform ist der Werkstoff der Platten des Wärmetauschers ausgewählt aus der Gruppe umfassend Edelstahl, 1.4571, Nickel und/oder Nickelbasislegierung. Diese Werkstoffe
eignen sich aufgrund ihrer mechanischen und chemischen Widerstandsfähigkeit für die Verwendung im Wärmetauscher.In one embodiment, the material of the plates of the heat exchanger is selected from the group comprising stainless steel, 1.4571, nickel and / or nickel-based alloy. These materials Due to their mechanical and chemical resistance they are suitable for use in heat exchangers.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Platten des Wärmetauschers durch Lot miteinander verbunden, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Kupferbasislot, silberhaltiges Lot, cadmium- und silberhaltiges Lot und/oder Nickelbasislot. Diese Lote eignen sich aufgrund ihrer mechanischen und chemischen Widerstandsfähigkeit.In a further embodiment, the plates of the heat exchanger are interconnected by solder, which is selected from the group comprising Kupferbasislot, silver-containing solder, cadmium- and silver-containing solder and / or nickel-based solder. These solders are suitable for their mechanical and chemical resistance.
In einer weiteren Ausfuhrungsform ist in dem Reaktor das Katalysatorbett als strukturierte Packung ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt der Katalysator im Katalysatorbett als monolithischer Katalysator vor. Der Einsatz von strukturierten Katalysatoren wie Monolithen, strukturierten Packungen, aber auch Schalenkatalysatoren hat vornehmlich eine Absenkung des Druckverlusts zum Vorteil. Neben den Vorteilen für das Gesamtverfahren kann bei einem geringeren spezifischen Druckvεrlust das in die Konstruktion des Reaktors einzubringende Volumen für den Katalysator und die Wärmetauscherfläche durch einen geringeren Strömungsquerschnitt bei längeren Reaktions- und Wärmetauscherstufen realisiert werden. Ein weiter Vorteil des Einsatzes von strukturierten Katalysatoren ist, dass in den dünneren Katalysatorschichten kürzere Diffusionswege der Reaktanden nötig sind, welches mit einer Steigerung der Katalysatorselektivität einhergehen kann.In a further embodiment, the catalyst bed is formed as a structured packing in the reactor. In a further embodiment of the present invention, the catalyst is present in the catalyst bed as a monolithic catalyst. The use of structured catalysts such as monoliths, structured packings, as well as coated catalysts has mainly a reduction of the pressure loss to the advantage. In addition to the advantages for the overall process can be realized at a lower specific Druckvεrlust the volume to be introduced into the construction of the reactor for the catalyst and the heat exchanger surface by a smaller flow cross-section at longer reaction and heat exchanger stages. A further advantage of the use of structured catalysts is that shorter diffusion paths of the reactants are necessary in the thinner catalyst layers, which can be accompanied by an increase in the catalyst selectivity.
Im strukturierten Katalysatorbett können Kanäle eingearbeitet sein, wobei der hydraulische Durchmesser der Kanäle > 0,1 mm bis < 10 mm, vorzugsweise > 0,3 mm bis < 5 mm, mehr bevorzugt > 0,5 mm bis < 2 mm beträgt. Die spezifische Oberfläche des Katalysators wächst, wenn der hydraulische Durchmesser sinkt. Wird der Durchmesser zu klein, tritt ein zu großer Druckverlust auf. Weiterhin kann bei einer Tränkung mit einer Katalysatorsuspension auch ein Kanal verstopfen.In the structured catalyst bed channels can be incorporated, wherein the hydraulic diameter of the channels> 0.1 mm to <10 mm, preferably> 0.3 mm to <5 mm, more preferably> 0.5 mm to <2 mm. The specific surface area of the catalyst increases as the hydraulic diameter decreases. If the diameter is too small, too much pressure loss occurs. Furthermore, in the case of an impregnation with a catalyst suspension, a channel can also clog.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt in dem Reaktor der hydraulische Durchmesser der Fluidströmungskanäle im Wärmetauscher > 10 μm bis < 10 mm, vorzugsweise > 100 μm bis < 5 mm, mehr bevorzugt > 1 mm bis < 2 mm. Bei diesen Durchmessern ist ein effektiver Wärmeaustausch besonders gewährleistet.In a further embodiment, in the reactor, the hydraulic diameter of the fluid flow channels in the heat exchanger is> 10 μm to <10 mm, preferably> 100 μm to <5 mm, more preferably> 1 mm to <2 mm. With these diameters, an effective heat exchange is particularly ensured.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Reaktor > 6 bis < 50, vorzugsweise > 10 bis < 40, mehr bevorzugt > 20 bis < 30 Abfolgen von Reaktionszone und Wärmetauscher. Bei einer solchen Anzahl von Reaktionszonen lässt sich der Materialeinsatz in Hinblick auf die Umsetzung von Reaktanden optimieren. Eine geringere Anzahl von Reaktionszonen würde eine ungünstige Temperaturführung zur Folge haben. Die Eintrittstemperatur des Reaktionsgemisches müsste niedriger gewählt werden, wodurch bestimmte Katalysatoren weniger aktiv würden. Weiterhin
sinkt dann auch die Durchschnittstemperatur der Umsetzung. Eine höhere Anzahl würde den Kosten- und Materialaufwand wegen der geringen Umsatzsteigerung nicht rechtfertigen. Gerade der Umgang mit korrosiven Gasen wie HCl, O2 und Cl2 bedingt widerstandsfähige und entsprechend teure Materialien für den Reaktor.In a further embodiment, the reactor comprises> 6 to <50, preferably> 10 to <40, more preferably> 20 to <30 sequences of reaction zone and heat exchanger. With such a number of reaction zones, the use of materials can be optimized with regard to the reaction of reactants. A smaller number of reaction zones would result in an unfavorable temperature control. The inlet temperature of the reaction mixture would have to be chosen lower, which would make certain catalysts less active. Farther then the average temperature of the reaction also drops. A higher number would not justify the cost and material costs due to the low increase in sales. Especially the handling of corrosive gases such as HCl, O 2 and Cl 2 requires resistant and correspondingly expensive materials for the reactor.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt in dem Reaktor die Länge mindestens einer Reaktionszone, gemessen in der Strömungswegrichtung des Reaktionsgemisches, > 0,01 m bis < 5 m, vorzugsweise > 0,03 m bis < 1 m, mehr bevorzugt > 0,05 m bis < 0,5 m. Die Reaktionszonen können alle die gleiche Länge aufweisen oder unterschiedlich lang sein. So können beispielsweise die frühen Reaktionszonen kurz sein, da genügend Edukte zur Verfügung stehen und eine übermäßige Erwärmung der Reaktionszone vermieden werden soll. Die späten Reaktionszonen können dann lang sein, um den Gesamtumsatz des Verfahrens zu erhöhen, wobei eine übermäßige Erwärmung der Reaktionszone weniger zu befürchten ist. Die angegebenen Längen selbst haben sich als vorteilhaft erwiesen, da bei kürzeren Längen die Reaktion nicht mit dem gewünschten Umsatz ablaufen kann und bei größeren Längen der Strömungswiderstand gegenüber dem Prozessgasgemisch zu stark ansteigt. Weiterhin ist bei größeren Längen der Katalysatoraustausch schwerer durchzuführen.In a further embodiment, in the reactor, the length of at least one reaction zone, measured in the flow path direction of the reaction mixture, is> 0.01 m to <5 m, preferably> 0.03 m to <1 m, more preferably> 0.05 m to <0.5 m. The reaction zones can all be the same length or different in length. For example, the early reaction zones may be short, as there are sufficient starting materials available and excessive heating of the reaction zone should be avoided. The late reaction zones can then be long to increase the overall conversion of the process, with less fear of overheating the reaction zone. The stated lengths themselves have proven to be advantageous because at shorter lengths, the reaction can not proceed with the desired conversion and increases at greater lengths, the flow resistance to the process gas mixture too strong. Furthermore, the catalyst exchange is difficult to carry out at longer lengths.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst in dem Reaktor der Katalysator in den Reaktionszonen unabhängig voneinander Substanzen, die ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Kupfer, Kalium, Natrium, Chrom, Cer, Gold, Bismut, Eisen, Ruthenium, Osmium, Uran, Kobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium und/oder Platin sowie Oxide, Chloride und/oder Oxychloride der vorgenannten Elemente. Besonders bevorzugte Verbindungen umfassen hierbei: Kupfer(I)chlorid, Kupfer(n)chlorid, Kupfer(I)oxid, Kupfer(II)oxid, Kaliumchlorid, Natriumchlorid, Chrom(III)oxid, Chrom(rV)oxid, Chrom(VI)oxid, Bismutoxid, Rutheniumoxid, Rutheniumchlorid, Ruthenium- oxychlorid und/oder Rhodiumoxid.In a further embodiment, in the reactor, the catalyst in the reaction zones independently of one another comprises substances which are selected from the group comprising copper, potassium, sodium, chromium, cerium, gold, bismuth, iron, ruthenium, osmium, uranium, cobalt, rhodium, Iridium, nickel, palladium and / or platinum and oxides, chlorides and / or oxychlorides of the aforementioned elements. Particularly preferred compounds include: copper (I) chloride, copper (II) chloride, copper (I) oxide, copper (II) oxide, potassium chloride, sodium chloride, chromium (III) oxide, chromium (RV) oxide, chromium (VI) oxide, bismuth oxide, ruthenium oxide, ruthenium chloride, ruthenium oxychloride and / or rhodium oxide.
Der Katalysator kann auf einem Träger aufgebracht sein. Der Trägeranteil kann umfassen: Titanoxid, Zinnoxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Vanadiumoxid, Chromoxid, Uranoxid, Siliziumoxid, Kieselerde, Kohlenstoffnanoröhren oder eine Mischung oder Verbindung der genannten Stoffe, wie insbesondere Mischoxide, wie Silizium-Aluminium-Oxide. Weiterhin besonders bevorzugte Trägermaterialien sind Zinnoxid und Kohlenstoffnanoröhren.The catalyst can be applied to a carrier. The carrier fraction may comprise: titanium oxide, tin oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, vanadium oxide, chromium oxide, uranium oxide, silicon oxide, silica, carbon nanotubes or a mixture or compound of said substances, in particular mixed oxides, such as silicon-aluminum oxides. Further particularly preferred carrier materials are tin oxide and carbon nanotubes.
Die Rutheniumträgerkatalysatoren können beispielsweise durch Tränkung des Trägermaterials mit wässrigen Lösungen von RuC^ und gegebenenfalls eines Promotors zur Dotierung erhalten werden. Die Formgebung des Katalysators kann nach oder bevorzugt vor der Tränkung des Trägermaterials erfolgen.
Zur Dotierung der Katalysatoren eignen sich als Promotoren Alkalimetalle wie Lithium, Natrium, Rubidium, Cäsium und besonders Kalium, Erdalkalimetalle wie Calcium, Strontium, Barium und besonders Magnesium, Seltenerdmetalle wie Scandium, Yttrium, Praseodym, Neodym und besonders Lanthan und Cer, weiterhin Kobalt und Mangan sowie Gemische der vorgenannten Promotoren.The ruthenium-supported catalysts can be obtained, for example, by impregnation of the support material with aqueous solutions of RuC.sub.1 and, if appropriate, of a promoter for doping. The shaping of the catalyst can take place after or preferably before the impregnation of the support material. For doping the catalysts are suitable as promoters alkali metals such as lithium, sodium, rubidium, cesium and especially potassium, alkaline earth metals such as calcium, strontium, barium and especially magnesium, rare earth metals such as scandium, yttrium, praseodymium, neodymium and especially lanthanum and cerium, furthermore cobalt and Manganese and mixtures of the aforementioned promoters.
Die Formkörper können anschließend bei einer Temperatur von > 1000C bis < 4000C unter einer Stickstoff-, Argon- oder Luftatmosphäre getrocknet und gegebenenfalls calciniert werden. Bevorzugt werden die Formkörper zunächst bei > 1000C bis < 1500C getrocknet und anschließend bei > 2000C bis < 4000C calciniert.The moldings can then be dried at a temperature of> 100 0 C to <400 0 C under a nitrogen, argon or air atmosphere and optionally calcined. Preferably, the moldings are first dried at> 100 0 C to <150 0 C and then calcined at> 200 0 C to <400 0 C.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt in dem Reaktor die Partikelgröße des Katalysators unabhängig voneinander > 1 mm bis < 10 mm, vorzugsweise > 1,5 mm bis < 8 mm, mehr bevorzugt > 2 mm bis < 5 mm. Die Paπikelgröße kann bei annähernd kugelförmigen Katalysatorpartikeln dem Durchmesser entsprechen oder bei annähernd zylindrischen Katalysatorpartikeln der Ausdehnung in der Längsrichtung. Die genannten Partikelgrößenbereiche haben sich als vorteilhaft herausgestellt, da bei kleineren Partikelgrößen ein hoher Druckverlust auftritt und bei größeren Partikeln die nutzbare Partikeloberfläche im Verhältnis zum Partikelvolumen sinkt und somit die erreichbare Raum-Zeit-Ausbeute geringer wird. Prinzipiell können die Katalysatoren beziehungsweise die geträgerten Katalysatoren jede beliebige Form aufweisen, zum Beispiel Kugeln, Stäbchen, Raschigringe oder Granulat oder Tabletten.In a further embodiment, in the reactor, the particle size of the catalyst independently of each other> 1 mm to <10 mm, preferably> 1.5 mm to <8 mm, more preferably> 2 mm to <5 mm. The particle size may correspond to the diameter for approximately spherical catalyst particles or, for approximately cylindrical catalyst particles, for expansion in the longitudinal direction. The mentioned particle size ranges have been found to be advantageous since with smaller particle sizes, a high pressure loss occurs and with larger particles, the usable particle surface decreases in proportion to the particle volume and thus the achievable space-time yield is lower. In principle, the catalysts or the supported catalysts can have any desired form, for example spheres, rods, Raschig rings or granules or tablets.
In einer weiteren Ausführungsform weist in dem Reaktor in verschiedenen Reaktionszonen der Katalysator eine unterschiedliche Aktivität auf, wobei vorzugsweise die Aktivität des Katalysators in den Reaktionszonen, entlang der Strömungswegrichtung der Reaktionsgemische gesehen, zunimmt. Wenn die Konzentration der Edukte in den frühen Reaktionsstufen hoch ist, wird als Folge davon deren Reaktion und somit auch die Temperatur des Prozessgasgemisches stark ansteigen. Um keine unerwünschte Temperatursteigerung in den frühen Reaktionszonen zu erfahren, kann daher ein Katalysator mit einer niedrigeren Aktivität ausgewählt werden. Ein Effekt davon ist auch, dass kostengünstigere Katalysatoren verwendet werden können. Um eine möglichst hohe Umsetzung der noch verbliebenen Edukte in späten Reaktionszonen zu erreichen, können dort aktivere Katalysatoren verwendet werden. Insgesamt wird es also durch die unterschiedliche Aktivität der Katalysatoren in den einzelnen Reaktionszonen möglich, die Temperatur der Umsetzung in einem schmaleren und damit auch günstigeren Temperaturbereich zu halten.In a further embodiment, in the reactor in different reaction zones, the catalyst has a different activity, wherein preferably the activity of the catalyst in the reaction zones, seen along the flow path direction of the reaction mixtures, increases. As a result, if the concentration of the starting materials in the early reaction stages is high, their reaction and thus also the temperature of the process gas mixture will rise sharply. Therefore, in order not to experience undesirable temperature increase in the early reaction zones, a catalyst having a lower activity can be selected. An effect of this is also that less expensive catalysts can be used. In order to achieve the highest possible conversion of the remaining educts in late reaction zones, more active catalysts can be used there. Overall, it is thus possible by the different activity of the catalysts in the individual reaction zones to keep the temperature of the reaction in a narrower and thus more favorable temperature range.
Ein Beispiel für eine Änderung der Katalysatoraktivität wäre, wenn die Aktivität in der ersten Reaktionszone 30 % der maximalen Aktivität beträgt und pro Reaktionszone in Schritten von 5 %, 10 %, 15 % oder 20 % ansteigt, bis die Aktivität in der letzten Reaktionszone 100 % beträgt.
Die Aktivität des Katalysators lässt sich beispielsweise dadurch einstellen, dass bei gleichem Grundmaterial des Trägers, gleichem Promoter und gleicher katalytisch aktiver Verbindung die mengenmäßigen Anteile der katalytisch aktiven Verbindung verschieden sind. Weiterhin können im Sinne einer makroskopischen Verdünnung auch Teilchen ohne Aktivität beigemischt werden.An example of a change in catalyst activity would be when the activity in the first reaction zone is 30% of the maximum activity and increases per reaction zone in increments of 5%, 10%, 15% or 20% until the activity in the last reaction zone is 100%. is. The activity of the catalyst can be adjusted, for example, by the fact that, given the same base material of the support, the same promoter and the same catalytically active compound, the quantitative proportions of the catalytically active compound are different. Furthermore, in the sense of a macroscopic dilution, particles without activity can also be added.
In einer weiteren Ausführungsform ist in dem Reaktor das Wärmeaustauschmedium, welches einen Wärmetauscher durchströmt, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Flüssigkeiten, siedende Flüssigkeiten, Gase, organische Wärmeträger, Salzschmelzen und/oder ionische Flüssigkeiten, wobei vorzugsweise Wasser, teilweise verdampfendes Wasser und/oder Wasserdampf ausgewählt werden. Unter teilweise verdampfendem Wasser ist zu verstehen, dass in den einzelnen Fluidströmungskanälen des Wärmetauschers flüssiges Wasser und Wasserdampf nebeneinander vorliegen. Hierbei bieten sich die Vorteile eines hohen Wärmeübergangskoeffizienten auf der Seite des Wärmeaustauschmediums, einer hohen spezifischen Wärmeaufnahme durch die Verdampfungsenthalpie des Wärmeaustauschmediums sowie einer konstanten Temperatur über den Kanal des Wärmeaustauschmediums. Insbesondere bei im Kreuzstrom zum Reaktandenstrom geführtem Wärmeaustauschmedium ist die konstante Verdampfungstemperatur von Vorteil, da sie eine gleichmäßige Wärmeabfuhr über alle Reaktionskanäle ermöglicht. Die Regelung der Reaktandentemperatur kann über die Einstellung des Druckniveaus und damit der Temperatur für die Verdampfung des Wärmeaustauschmediums erfolgen.In a further embodiment, in the reactor, the heat exchange medium which flows through a heat exchanger selected from the group comprising liquids, boiling liquids, gases, organic heat carriers, molten salts and / or ionic liquids, wherein preferably water, partially evaporating water and / or water vapor selected become. Under partially evaporating water is to be understood that in the individual fluid flow channels of the heat exchanger liquid water and water vapor are present side by side. This offers the advantages of a high heat transfer coefficient on the side of the heat exchange medium, a high specific heat absorption by the enthalpy of evaporation of the heat exchange medium and a constant temperature across the channel of the heat exchange medium. Especially in cross-flow to the reactant flow guided heat exchange medium, the constant evaporation temperature is advantageous because it allows a uniform heat removal across all reaction channels. The regulation of the Reaktandentemperatur can be done via the adjustment of the pressure level and thus the temperature for the evaporation of the heat exchange medium.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Herstellung des Wärmetauschers die folgenden Schritte umfasst:A further subject of the present invention is a method for producing a reactor according to the present invention, wherein the production of the heat exchanger comprises the following steps:
a) Reinigen der Oberflächen der Stege und der Rückseiten der Platten von Oxiden und Belägen;a) cleaning the surfaces of the webs and backs of the plates of oxides and linings;
b) Aufbringen von Lot auf die Oberseite der Stege;b) applying solder to the top of the webs;
c) Stapeln und Ausrichten der zu verbindenden Wärmetauscherplatten;c) stacking and aligning the heat exchanger plates to be connected;
d) Hartlöten des Plattenstapels durch Wärmeeintrag in einem Ofen.d) brazing the plate stack by heat input in an oven.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird in Schritt a) eine Rautiefe von < 100 μm, vorzugsweise von < 25 μm erreicht.In one embodiment of the method, a roughness depth of <100 .mu.m, preferably of <25 .mu.m is achieved in step a).
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird in Schritt b) vor dem Aufbringen des Lots auf die Oberseite der Stege in die Fluidströmungskanäle eine Schutzmasse eingetragen, wobei die Schutzmasse geeignet ist, das Eindringen von Lot in die Fluidströmungskanäle zu verhindern und wobei die Schutzmasse nach dem Aufbringen des Lots wieder entfernt wird. Die Schutzmasse
kann die Fluidströmungskanäle auskleiden oder ganz ausfüllen. Das Entfernen der Schutzmasse kann durch Herauslösen oder durch Herausschmelzen geschehen. Durch die Schutzmasse wird verhindert, dass das Lot die Fluidströmungskanäle verstopft.In a further embodiment of the method, a protective compound is introduced into the fluid flow channels in step b) before the solder is applied to the upper side of the webs, the protective compound being suitable for preventing the penetration of solder into the fluid flow channels and the protective composition after application the lot is removed again. The protective mass may line or fill the fluid flow channels. The removal of the protective compound can be done by leaching or by melting out. The protective compound prevents the solder clogging the fluid flow channels.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens findet in Schritt d) der Wärmeeintrag in einer inerten und/oder reduzierenden Schutzgasatmosphäre statt. Ein Beispiel für eine inerte Schutzgasatmosphäre ist Argon- oder Stickstoffgas. Ein Beispiel für eine reduzierende Schutzgasatmosphäre ist Wasserstoffgas.In a further embodiment of the method, the heat input takes place in an inert and / or reducing protective gas atmosphere in step d). An example of an inert inert gas atmosphere is argon or nitrogen gas. An example of a reducing inert gas atmosphere is hydrogen gas.
Die vorliegende Erfindung wird weiter anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert, ohne dass die Figuren eine Einschränkung der Erfindung darstellen. Es zeigen:The present invention will be further explained with reference to FIGS. 1 to 3, without the figures representing a limitation of the invention. Show it:
FIG. 1 einen erfindungsgemäßen chemischen ReaktorFIG. 1 a chemical reactor according to the invention
FIG. 2 zwei Platten des WärmetauschersFIG. 2 two plates of the heat exchanger
FIG. 3 miteinander verbundene Platten des WärmetauschersFIG. 3 interconnected plates of the heat exchanger
In den Figuren bedeuten die Bezugszeichen:In the figures, the reference numerals denote:
I ReaktorI reactor
2 Reaktionszone2 reaction zone
3 Katalysatorbett3 catalyst bed
4 Wärmetauscher4 heat exchangers
5 Platte des Wärmetauschers5 plate of the heat exchanger
6 Platte des Wärmetauschers6 plate of the heat exchanger
7 Fluidströmungskanal7 fluid flow channel
8 Fluidströmungskanal8 fluid flow channel
9 Oberfläche einer Platte des Wärmetauschers9 Surface of a plate of the heat exchanger
10 Oberfläche einer Platte des Wärmetauschers10 Surface of a plate of the heat exchanger
I 1 AbdeckplatteI 1 cover plate
12 Einlass für Reaktionsgemisch
13 Auslass für Reaktionsgemisch12 inlet for reaction mixture 13 outlet for reaction mixture
FIG. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen chemischen Reaktor 1. Der Reaktor ist geeignet zur Umsetzung von fluiden Reaktionsgemischen, die durch den Reaktor strömen. Das Reaktionsgemisch wird über Einlass 12 in den Reaktor eingeführt. Zunächst durchströmt es einen Wärme- tauscher 4. Dieser Wärmetauscher umfasst, wie auch die folgenden Wärmetauscher, eine Abfolge zweier Platten 5 und 6. Die abwechselnd aneinander gereihten Platten weisen Fluidströmungs- kanäle auf. In der Darstellung der Fig. 1 sind an den ersten Platten 5 Fluidströmungskanäle 7 im Querschnitt dargestellt. Durch diese kann ein Wärmeaustauschmedium fließen. Die Fluidströmungskanäle der zweiten Platten 6 verlaufen in Richtung der strömenden Reaktionsgemische und sind folglich nicht in der Darstellung von Fig. 1 aufgeführt.FIG. 1 shows a chemical reactor 1 according to the invention. The reactor is suitable for reacting fluid reaction mixtures which flow through the reactor. The reaction mixture is introduced via inlet 12 into the reactor. Initially, it flows through a heat exchanger 4. This heat exchanger, like the following heat exchangers, comprises a sequence of two plates 5 and 6. The plates, which are lined up alternately, have fluid flow channels. In the illustration of FIG. 1, 5 fluid flow channels 7 are shown in cross section on the first plates. Through this a heat exchange medium can flow. The fluid flow channels of the second plates 6 run in the direction of the flowing reaction mixtures and are therefore not shown in the illustration of FIG.
Nachdem das Reaktionsgemisch den ersten Wärmetauscher durchströmt hat und die vorbestimmte Temperatur erreicht hat, strömt es weiter in eine Reaktionszone 2. Diese ist für eine adiabatische Reaktionsführung ausgelegt. Wabenförmig dargestellt ist ein Katalysatorbett 3. Das Reaktionsgemisch verlässt die Reaktionszone und tritt in den nächsten Wärmetauscher ein, wo es auf die gewünschte Temperatur gebracht wird. Diese Sequenz aus Reaktionszone und Wärmetauscher wiederholt sich, bis das Reaktionsgemisch den Reaktor durch den Auslass 13 wieder verlässt.After the reaction mixture has passed through the first heat exchanger and has reached the predetermined temperature, it continues to flow into a reaction zone 2. This is designed for adiabatic reaction. A catalyst bed 3 is shown in honeycomb shape. The reaction mixture leaves the reaction zone and enters the next heat exchanger, where it is brought to the desired temperature. This sequence of reaction zone and heat exchanger is repeated until the reaction mixture leaves the reactor through the outlet 13 again.
FIG. 2 zeigt zwei Platten 5 und 6 des Wärmetauschers 4. Die Darstellung kann als Ausschnitt einer Explosionszeichnung des Wärmetauschers verstanden werden. Die erste Platte 5 weist halbkreisförmig ausgebildete, gerade verlaufende Fluidströmungskanäle 7 auf. Die Strömungswegrichtung, die durch die Fluidströmungskanäle 7 vorgegeben wird, ist durch den eingezeichneten Vektor A— >B dargestellt. Zwischen den Fluidströmungskanälen 7 befinden sich Stege mit einer Oberfläche 9.FIG. 2 shows two plates 5 and 6 of the heat exchanger 4. The representation can be understood as a section of an exploded view of the heat exchanger. The first plate 5 has semicircular, straight running fluid flow channels 7. The flow path direction, which is given by the fluid flow channels 7, is represented by the drawn vector A-> B. Between the fluid flow channels 7 are webs with a surface. 9
Die zweite Platte 6 in Fig. 2 weist ebenfalls halbkreisförmig ausgebildete, gerade verlaufende Fluidströmungskanäle 8 auf. Sie verlaufen rechtwinklig zu den Kanälen 7 der ersten Platte 5. Die Strömungswegrichtung, die durch die Fluidströmungskanäle 8 vorgegeben wird, ist durch den eingezeichneten Vektor C-→D dargestellt. Entsprechend verläuft dieser Vektor rechtwinklig zum Vektor A→B. Zwischen den Fluidströmungskanälen 8 befinden sich Stege mit einer Oberfläche 10.The second plate 6 in FIG. 2 likewise has semicircular, straight-running fluid flow channels 8. They are perpendicular to the channels 7 of the first plate 5. The flow path direction, which is given by the fluid flow channels 8, is represented by the drawn vector C- → D. Accordingly, this vector is perpendicular to the vector A → B. Between the fluid flow channels 8 are webs with a surface 10th
FIG. 3 zeigt zu einem Stapel miteinander verbundene Platten 5 und 6 des Wärmetauschers 4. Die Platten 5 und 6 sind abwechselnd aufeinander geschichtet. Die Fluidströmungskanäle 7 der Platten 5 definieren eine erste Strömungswegrichtung, die durch den Vektor A— »B dargestellt ist. Die Fluidströmungskanäle 8 der Platten 6 definieren eine zweite Strömungswegrichtung, die durch den Vektor C-→D dargestellt ist. So können also beispielsweise das Reaktionsgemisch entlang der
ersten Strömungswegrichtung und ein Wärmeaustauschmedium entlang der zweiten Strömungswegrichtung durch den Wärmetauscher strömen. Die oberste Platte 5 wird durch eine Abdeckplatte 1 1 verschlossen. Diese Abdeckplatte kann auch ein Teil der Hülle des Reaktors darstellen.
FIG. 3 shows plates 5 and 6 of the heat exchanger 4 connected to one another in a stack. The plates 5 and 6 are alternately stacked on one another. The fluid flow channels 7 of the plates 5 define a first flow path direction represented by the vector A- »B. The fluid flow channels 8 of the plates 6 define a second flow path direction represented by the vector C-> D. Thus, for example, the reaction mixture along the first flow path direction and a heat exchange medium along the second Strömungswegrichtung flow through the heat exchanger. The top plate 5 is closed by a cover plate 1 1. This cover plate may also constitute part of the shell of the reactor.
Claims
1. Chemischer Reaktor (1 ) zur Umsetzung von fluiden Reaktionsgemischen, umfassend mindestens eine adiabatische Reaktionszone (2), welche ein Katalysatorbett (3) umfasst, sowie weiterhin umfassend mindestens einen auf die Reaktionszone (2) folgenden Wärmetauscher (4), wobeiAnspruch [en] A chemical reactor (1) for reacting fluid reaction mixtures comprising at least one adiabatic reaction zone (2) comprising a catalyst bed (3) and further comprising at least one heat exchanger (4) following the reaction zone (2)
der Wärmetauscher (4) aufeinander geschichtete und miteinander verbundene Platten (5, 6) umfasst,the heat exchanger (4) comprises plates (5, 6) stacked on each other and connected to each other,
die einzelnen Platten (5, 6) gemäß einem vorherbestimmten Muster mindestens zwei voneinander getrennte Fluidströmungskanäle (7, 8) aufweisen undthe individual plates (5, 6) have at least two separate fluid flow channels (7, 8) according to a predetermined pattern and
die mit Fluidströmungskanälen (7, 8) versehenen Platten so angeordnet sind, dass dasthe plates provided with fluid flow channels (7, 8) are arranged so that the
Reaktionsgemisch in einer ersten Strömungswegrichtung und das im Wärmetauscher (4) verwendete Wärmeaustauschmedium in einer zweiten Strömungswegrichtung den Wärmetauscher (4) durchströmen, dadurch gekennzeichnet, dassReaction mixture in a first Strömungswegrichtung and the heat exchange medium used in the heat exchanger (4) flow through the heat exchanger (4) in a second Strömungswegrichtung, characterized in that
die Platten (5, 6) in dem mindestens einen Wärmetauscher (4) durch Hartlöten miteinander verbunden sind.the plates (5, 6) in the at least one heat exchanger (4) are connected together by brazing.
2. Reaktor nach Anspruch 1, wobei der Werkstoff der Platten (5, 6) des Wärmetauschers (4) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Edelstahl, 1.4571 , Nickel und/oder Nickelbasislegierung.2. Reactor according to claim 1, wherein the material of the plates (5, 6) of the heat exchanger (4) is selected from the group comprising stainless steel, 1.4571, nickel and / or nickel-based alloy.
3. Reaktor nach Ansprüchen 1 oder 2, wobei die Platten (5, 6) des Wärmetauschers (4) durch Lot miteinander verbunden sind, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend3. Reactor according to claims 1 or 2, wherein the plates (5, 6) of the heat exchanger (4) are interconnected by solder, which is selected from the group comprising
Kupferbasislot, silberhaltiges Lot, cadmium- und silberhaltiges Lot und/oder Nickelbasislot.Copper-based solder, silver-containing solder, cadmium- and silver-containing solder and / or nickel-based solder.
4. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Katalysatorbett (3) als strukturierte Packung ausgebildet ist.4. Reactor according to one of the preceding claims, wherein the catalyst bed (3) is formed as a structured packing.
5. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator im Katalysatorbett (3) als monolithischer Katalysator vorliegt.5. Reactor according to one of the preceding claims, wherein the catalyst in the catalyst bed (3) is present as a monolithic catalyst.
6. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der hydraulische Durchmesser der Fluidströmungskanäle (7, 8) im Wärmetauscher (4) > 10 μm bis < 10 mm, vorzugsweise > 100 μm bis < 5 mm, mehr bevorzugt > 1 mm bis < 2 mm beträgt. 6. Reactor according to one of the preceding claims, wherein the hydraulic diameter of the fluid flow channels (7, 8) in the heat exchanger (4)> 10 microns to <10 mm, preferably> 100 microns to <5 mm, more preferably> 1 mm to <2 mm.
7. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend > 6 bis < 50, vorzugsweise7. Reactor according to one of the preceding claims comprising> 6 to <50, preferably
> 10 bis < 40, mehr bevorzugt > 20 bis < 30 Abfolgen von Reaktionszone (2) und Wärmetauscher (4).> 10 to <40, more preferably> 20 to <30 sequences of reaction zone (2) and heat exchanger (4).
8. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge mindestens einer Reaktionszone (2), gemessen in der Strömungswegrichtung des Reaktionsgemisches,8. Reactor according to one of the preceding claims, wherein the length of at least one reaction zone (2), measured in the flow path direction of the reaction mixture,
> 0,01 m bis < 5 m, vorzugsweise > 0,03 m bis < 1 m, mehr bevorzugt > 0,05 m bis < 0,5 m beträgt.> 0.01 m to <5 m, preferably> 0.03 m to <1 m, more preferably> 0.05 m to <0.5 m.
9. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator in den Reaktionszonen (2) unabhängig voneinander Substanzen umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Kupfer, Kalium, Natrium, Chrom, Cer, Gold, Bismut, Eisen,9. Reactor according to one of the preceding claims, wherein the catalyst in the reaction zones (2) independently comprises substances selected from the group comprising copper, potassium, sodium, chromium, cerium, gold, bismuth, iron,
Ruthenium, Osmium, Uran, Kobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium und/oder Platin sowie Oxide, Chloride und/oder Oxychloridc der vorgenannten Elemente.Ruthenium, osmium, uranium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium and / or platinum and oxides, chlorides and / or oxychloridec of the aforementioned elements.
10. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikelgröße des Katalysators, unabhängig voneinander > 1 mm bis < 10 mm, vorzugsweise > 1,5 mm bis < 8 mm, mehr bevorzugt > 2 mm bis < 5 mm beträgt.10. Reactor according to one of the preceding claims, wherein the particle size of the catalyst, independently of one another> 1 mm to <10 mm, preferably> 1.5 mm to <8 mm, more preferably> 2 mm to <5 mm.
1 1. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in verschiedenen Reaktionszonen (2) der Katalysator eine unterschiedliche Aktivität aufweist, wobei vorzugsweise die Aktivität des Katalysators in den Reaktionszonen (2), entlang der Strömungswegrichtung der Reaktionsgemische gesehen, zunimmt.1 1. A reactor according to any one of the preceding claims, wherein in different reaction zones (2) the catalyst has a different activity, wherein preferably the activity of the catalyst in the reaction zones (2), seen along the Strömungswegrichtung the reaction mixtures, increases.
12. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeaustauschmedium, welches einen Wärmetauscher (4) durchströmt, ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Flüssigkeiten, siedende Flüssigkeiten, Gase, organische Wärmeträger, Salzschmelzen und/oder ionische Flüssigkeiten, wobei vorzugsweise Wasser, teilweise verdampfendes Wasser und/oder Wasserdampf ausgewählt werden.12. Reactor according to one of the preceding claims, wherein the heat exchange medium which flows through a heat exchanger (4) is selected from the group comprising liquids, boiling liquids, gases, organic heat transfer media, molten salts and / or ionic liquids, preferably water, partially vaporizing Water and / or steam are selected.
13. Verfahren zur Herstellung eines Reaktors nach Ansprüchen 1 bis 12, wobei die Herstellung des Wärmetauschers die folgenden Schritte umfasst:13. A process for producing a reactor according to claims 1 to 12, wherein the production of the heat exchanger comprises the following steps:
a) Reinigen der Oberflächen der Stege (9, 10) und der Rückseiten der Platten (5, 6) von Oxiden und Belägen;a) cleaning the surfaces of the webs (9, 10) and the backs of the plates (5, 6) of oxides and coatings;
b) Aufbringen von Lot auf die Oberseite der Stege (9, 10);b) applying solder to the top of the webs (9, 10);
c) Stapeln und Ausrichten der zu verbindenden Wärmetauscherplatten (5, 6); d) Hartlöten des Plattenstapels durch Wärmeeintrag in einem Ofen.c) stacking and aligning the heat exchanger plates (5, 6) to be connected; d) brazing the plate stack by heat input in an oven.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei in Schritt a) eine Rautiefe von < 100 μm, vorzugsweise von < 25 μm erreicht wird.14. The method of claim 13, wherein in step a) a roughness of <100 microns, preferably of <25 microns is achieved.
15. Verfahren nach Ansprüchen 13 oder 14, wobei in Schritt b) vor dem Aufbringen des Lots auf die Oberseite der Stege (9, 10) in die Fluidströmungskanäle (7, 8) eine Schutzmasse eingetragen wird, wobei die Schutzmasse geeignet ist, das Eindringen von Lot in die Fluidströmungskanäle (7, 8) zu verhindern und wobei die Schutzmasse nach dem Aufbringen des Lots wieder entfernt wird.15. The method according to claims 13 or 14, wherein in step b) before the application of the solder on the upper side of the webs (9, 10) in the fluid flow channels (7, 8) a protective compound is introduced, wherein the protective composition is suitable, the penetration Lot to prevent in the fluid flow channels (7, 8) and wherein the protective compound is removed after the application of the solder again.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei in Schritt d) der Wärmeeintrag in einer inerten und/oder reduzierenden Schutzgasatmosphäre stattfindet. 16. The method according to any one of claims 13 to 15, wherein in step d) the heat input takes place in an inert and / or reducing inert gas atmosphere.
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