Verfahren und Reaktor zur kontinuierlichen Durchführung einer chemischen Mehrphasenreaktion Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Reaktor zur kontinuierlichen Durchführung einer chemischen Mehrphasenreaktion, bei dem eine Suspension aus flüssigen Einsatzkohlenwasserstoffen mit darin dispergierten feinkörnigen Katalysatorteilchen mit Synthesegas begast wird, die infolge der Begasung aufgewirbelte Synthesegasbläschen enthaltende Suspension in einem von unten nach oben gerichteten Gleichstrom durch eine Reaktionszone geleitet wird, in der durch indirekten Wärmeaustausch eine Suspension aus flüssigen Kohlenwasserstoffen mit darin dispergierten gasförmigen Kohlenwasserstoffen, Wasserdampf und feinkörnigen Katalysatorteilchen erzeugt wird und aus der nach dem Verlassen der Reaktionszone die gasförmigen Kohlenwasserstoffe und der Wasserdampf entweichen und aus dem Prozess ausgeleitet werden.

In der EP-B-0998346 ist ein Verfahren zur Herstellung flüssiger und wahlweise gasförmiger Produkte aus gasförmigen Reaktanden mittels indirektem Wärmeaustausch beschrieben.

Die gasförmigen Reaktanden werden in eine Suspension, in der Katalysatorteilchen dispergiert sind, geleitet. Bei der Aufwärtsbewegung durch die Suspension bilden sich flüssige und wahlweise gasförmige Produkte, wobei die gasförmigen Reaktanden und Produkte die Katalysatorteilchen in der aus Suspensionsflüssigkeit und den flüssigen Produkten bestehenden Aufschlämmung in Schwebe halten. Über dem oberen Niveau der Aufschlämmung sammeln sich die daraus austretenden gasförmigen Produkte und nicht verbrauchten Reaktanden und werden abgezogen. Über wenigstens ein Rücklaufrohr strömt die aufwärtsbewegte Aufschlämmung vom ihrem höchsten zu einem niedrigeren Niveau und von dort über wenigstens ein weiteres Rücklaufrohr zu einem noch niedrigeren Niveau. Aus der Aufschlämmung wird flüssige Phase abgezogen. Durch die Katalysatorteilchen reagieren die gasförmigen Reaktanden zu dem flüssigen und ggf. gasförmigen Produkt, wobei die gasförmigen aus Synthesegas bestehenden Reaktanden in der Aufschlämmung reagieren können und mittels Fischer-Tropsch-Synthese ein flüssiges und ein gasförmiges Kohlenwasserstoffprodukt bilden. Die bei diesem Verfahren eingesetzten Wärmetauscher besitzen einen komplizierten Aufbau.

Bei einem Verfahren zur Durchführung einer kontinuierlichen katalytischen Mehrphasenreaktion gemäß EP-B-0627959 werden in eine Aufschlämmung aus Reaktanden, wenigstens einer flüssigen Komponente und feinteiligem Katalysator Reaktanden eingeleitet, das flüssige Produkt vom Rest der Aufschlämmung durch Filtern getrennt und die Aufschlämmung durch Einblasen von Gas in konstanter Bewegung gehalten. Der über der Aufschlämmung befindliche Gasraum steht mit dem Filtrat in Verbindung und zwar zusätzlich zu irgendeiner Verbindung über die Aufschlämmung selbst.

Der bei diesem Verfahren gebildete Filterkuchen muss in bestimmten Zeitabständen entfernt werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs beschriebenen Verfahren so zu auszubilden, dass das Ergebnis der Mehrphasenreaktion verbessert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die nach dem Entweichen der gasförmigen Kohlenwasserstoffe und des Wasserdampfs verbleibende Suspension aus flüssigen Kohlenwasserstoffen mit den darin dispergierten feinkörnigen Katalysatorteilchen einer Sedimentation zur Trennung der feinkörnigen Katalysatorteilchen von den flüssigen Kohlenwasserstoffen unterworfen wird, die feinkörnigen Katalysatorteilchen sedimentiert und die flüssigen Kohlenwasserstoffe aus dem Prozess ausgeleitet werden. Die durch die Begasung der aus Einsatzkohlenwasserstoff mit darin dispergierten feinkörnigen Katalysatorteilchen bestehenden Suspension mit Synthesegas erzeugte Synthesegasbläschen enthaltende Suspension hat eine kleinere Dichte als die die Begasungszone umgebende Aufschlämmung aus flüssigen Einsatzkohlenwasserstoffen und feinkörnigen Katalysatorteilchen, so dass die Suspension selbsttätig in die Wärmetauschzone, in der eine exotherme Reaktion erfolgt, aufsteigt. Nach dem Austritt aus der Wärmetauschzone entweichen aus der erzeugten Suspension die bei der Reaktion gebildeten gasförmigen Kohlenwasserstoffe und der Wasserdampf und werden aus dem Prozess ausgeleitet. Die verbleibende Suspension aus flüssigen Kohlenwasserstoffen mit darin dispergierten feinkörnigen Katalysatorteilchen wird in eine Beruhigungszone geleitet, in der noch darin enthaltene gasförmige Kohlenwasserstoffe und Wasserdampf abgeschieden und die feinkörnigen Katalysatorteilchen durch Sedimentieren abgetrennt werden. Die feinkörnigen Katalysatorteilchen sinken auf Grund ihres gegenüber den flüssigen Kohlenwasserstoffen vergleichsweise größeren spezifischen Gewichts nach unten in die Aufschlämmzone, während die geklärten flüssigen Kohlenwasserstoffe aus dem Prozess ausgeleitet werden.

Im Rahmen der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die in dem aus Wasserdampf und gasförmigen Kohlenwasserstoffen gebildeten Gasgemisch enthaltenen mitgerissenen Suspensionströpfchen vor dem Ausleiten aus dem Prozess, vorzugsweise durch Zyklonieren, abgetrennt und der verbleibenden Suspension aus flüssigen Kohlenwasserstoffen mit darin dispergierten feinkörnigen Katalysatorteilchen zugesetzt.

Aus dem Prozess wird Aufschlämmung diskontinuierlich ausgeleitet, wobei die Möglichkeit besteht, Aufschlämmung den diskontinuierlich zugeführten Einsatzkohlenwasserstoffen zuzusetzen.

Der Reaktor zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem vertikalen Druckbehälter, in den unter Bildung eines allseitigen Zwischenraums mit der Innenwand des Druckbehälters wenigstens ein von einem geschlossenen Mantel umgebener von unten nach oben von aufgewirbelter Suspension durchströmbarer Plattenwärmetauscher eingebaut ist, unterhalb dessen Eintrittsöffnung für die aufgewirbelte Suspension eine Begasungseinrichtung vorgesehen ist, an dessen unterem Mantelrand umlaufend einen Abschnitt der Begasungszone umgebender Einlauftrichter mit seinem sich verengenden Ende und an dessen oberem Mantelrand ein die Trennzone für das Entweichen des Wasserdampfs und der gasförmigen Kohlenwasserstoffe aus der erzeugten Suspension umgebender Auslauftrichter mit seinem sich erweiternden Ende angebracht ist, wobei der obere Rand des Auslauftrichters geringfügig unter dem in dem Druckbehälter vorliegenden Flüssigkeitsniveau liegt, dem oberen Abschnitt des Auslauftrichters gegenüberliegend an der Innenseite des Druckbehälters eine umlaufende mit der Überströmkante geringfügig unterhalb des im Druckbehälter vorhandenen Flüssigkeitsniveaus liegenden Rinne für die Aufnahme der geklärten flüssigen Kohlenwasserstoffe angeordnet ist und zwischen dem Auslauftrichter und der Rinne ein als Beruhigungszone für die verbleibende Suspension dienender Zwischenraum besteht.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal befindet sich zwischen der von dem Auslauftrichter umgebenen Trennzone und der Öffnung für das Ausleiten des Wasserdampfs und der flüchtigen Kohlenwasserstoffe aus dem Prozess eine Gasreinigungszone mit einer Gasreinigungseinrichtung, vorzugsweise bestehend aus wenigstens einem Zyklon, zum Abscheiden der von dem Wasserdampf und den gasförmigen Kohlenwasserstoffen aus der erzeugten Suspension mitgerissenen Suspensionströpfchen.

Eine besondere Ausbildung des Reaktors besteht in einem den Auslauftrichter unter Bildung eines Zwischenraums umgebenden ähnlichen mit seinem oberen Rand über das in dem Druckbehälter vorhandene Flüssigkeitsniveau ragenden Trichter. Über den Zwischenraum strömt verbleibende Suspension mit darin dispergierten feinkörnigen Katalysatorteilchen aus der Trennzone über die untere Öffnung des Zwischenraums in die zwischen dem ähnlichen Trichter und der an der Innenwand des Druckbehälters umlaufenden Rinne liegenden Beruhigungszone.

Eine weitere Ausführungsform des Reaktors besteht darin, dass in dem Druckbehälter mehrere Plattenwärmetauscher in Reihe übereinander angeordnet sind und in dem zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wärmetauschern bestehenden Zwischenraum jeweils ein Wellen-, Trapez-oder Rechteckprofil besitzendes Verteilerblech mit in den Profil-Bergen und Profil-Tälern befindlichen lochförmigen Durchbrechungen, deren Durchmesser im Bereich der Profil-Täler größer als im Bereich der Profil-Berge ist, angebracht ist, um die aus dem jeweils vorhergehenden Plattenwärmetauscher austretenden größeren aus Wasserdampf und flüchtigen Kohlenwasserstoffen gebildeten Blasen in kleinere Blasen zu zerteilen.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal sind die Plattenwärmetauscher blockförmig gestaltet und besitzen einen rechteckigen Querschnitt.

In vorteilhafter Weise können die Plattenwärmetauscher jeweils aus mehreren blockförmigen Modulen zusammengesetzt sein.

Für den Einsatz in einem Reaktor sind vorzugsweise Plattenwärmetauscher gemäß DE-A- 19525802 und DE-C-10035776 geeignet, die aus hintereinander angeordneten zu einem Paket verbundenen Wärmetauscherplatten aufgebaut sind und die mittels zwischen den Wärmetauscherplatten angeordneten Umfangsdichtungen abwechselnd für ein wärmeabgebendes und ein wärmeaufnehmendes Medium geschlossene Kanäle bilden, die über miteinander fluchtende Ein-und Austrittsöffnungen der Wärmetauscherplatten mit dem jeweiligen Medium beaufschlagbar sind, wobei von den Ein-und Austrittsöffnungen Profilierungen ausgehen und in dem Profilierungsbereich, abwechselnd von Plattenpaar zu Plattenpaar, Dichtungen zur Abschottung der Ein-und Austrittsöffnungen von den Wärmetauscherflächen angeordnet sind.

Für den Reaktor können auch Plattehwärmetauscher, bestehend aus hintereinander angeordneten zu einem Paket verbundenen Thermoblechen, die jeweils aus zwei durch Punktschweißen miteinander verbundenen geprägten mit im Querschnitt elliptischen Strömungskanälen für das Durchströmen der Suspension umschließenden Formblechen gebildet sind, Verwendung finden. Zwischen benachbarten Thermoblechen ist jeweils ein Spalt für das Durchströmen des wärmeaufnehmenden Mediums vorhanden ist. Derartige Plattenwärmetauscher sind aus der DE-C-19754185 bekannt.

Die Erfindung wird in den Zeichnungen näher und beispielhaft schematisch dargestellt und wird nachstehend näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Reaktor mit einem darin angeordneten Wärmetauscher Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Reaktor mit drei in Reihe übereinander darin Wärmetauschern Fig. 3 einen Ausschnitt eines Querschnitts durch einen Wärmetauschers Gemäß Fig. 1 ist in einen vertikalen im Querschnitt kreisförmigen Druckbehälter (1) ein blockförmiger im Querschnitt rechteckiger Plattenwärmetauscher (2) unter Bildung eines aliseitigen Zwischenraums (3) mit der Innenwand des Druckbehälters (1) eingebaut. Der Plattenwärmetauscher (2) besteht aus hintereinander angeordneten, zu einem Paket zusammengepressten Wärmetauscherplatten (4). Die Wärmetauscherplatten (4) bilden mittels zwischen ihnen angeordneten Umfangsdichtungen abwechselnd für ein wärmeabgebendes und wärmeaufnehmendes Medium geschlossene Kanäle (5,6), die über miteinander fluchtende Ein-und Austrittsöffnungen der Wärmetauscherplatten (4) mit dem jeweiligen Medium beaufschlagbar sind, wobei von den Ein-und Austrittsöffnungen Profilierungen ausgehen und in dem Profiiierungsbereich, abwechselnd von Plattenpaar zu Plattenpaar, Dichtungen zur Abschottung der Ein-und Austrittsöffnungen von den Wärmetauscherflächen angeordnet sind. Die Suspension aus flüssigen Einsatzkohlenwasserstoffen mit darin dispergierten feinkörnigen Katalysatorteilchen strömt durch die Kanäle (5) im Gleichstrom von unten nach oben, während das wärmeaufnehmende Medium in quer dazu verlaufenden Kanälen (6) geführt wird. Die in einem Rahmen paketförmig zusammengehaltenen Wärmetauscherplatten (4) sind von einem geschlossenen Mantel (7) umgeben. Über Leitung (8) werden flüssige Einsatzkohlenwasserstoffe in den von der Innenwand des Druckbehälters (1) und dem Mantel (7) des Plattenwärmetauschers (2) gebildeten Zwischenraum (3) eingetragen. Mittels eines unterhalb des Plattenwärmetauschers (2) angeordneten über Leitung (9) mit Synthesegas beaufschlagten Gasverteilers (10) werden die Einsatzkohlenwasserstoffe mit darin dispergierten aus der Aufschlämmung stammenden feinkörnigen Katalysatorteilchen begast, so dass eine Synthesegasbläschen und feinkörnige Katalysatorteilchen enthaltende Suspension entsteht, die auf Grund ihrer gegenüber den nicht begasten Einsatzkohlenwasserstoffen geringeren Dichte nach oben steigt und den Plattenwärmetauscher (2) im Gleichstrom von unten nach oben durchströmt. Um die Suspension gezielt zur Eintrittsöffnung des Plattenwärmetauschers (2) zu führen, ist am unteren Rand des Mantels (7) des Plattenwärmetauschers (2) umlaufend ein hohlpyramidenstumpfförmiger Einlauftrichtertrichter (11) mit seinem sich verengenden Ende angebracht. Am oberen Rand des Mantels (7) des Plattenwärmetauschers (2) ist umlaufend ein hohlpyramidenstumpfförmiger Auslauftrichter (12), dessen sich verengendes Ende in einen hohlquaderförmigen Abschnitt (13) übergeht, mit dem sich erweiternden Ende befestigt. Der Auslauftrichter (12) umgibt die Trennzone (14), in der die aus der bei der chemischen Reaktion im Plattenwärmetauscher (2) erzeugten Suspension gebildeten gasförmigen Kohlenwasserstoffe und Wasserdampf entweichen, in den Gassammelraum (15) eintreten, mittels der im Gassammelraum (15) befindlichen Hydrozyklone (16,17) von mitgerissenen Suspensionströpfchen gereinigt und danach über Leitung (18) aus dem Druckbehälter (1) ausgeleitet werden. Der obere Rand des hohlquaderförmigen Abschnitts (13) des Auslauftrichters (12) endet geringfügig unter dem im Druckbehälter (1) vorhandenen Flüssigkeitsniveau (19), so dass die verbleibende Suspension aus flüssigen Kohlenwasserstoffen mit darin dispergierten feinkörnigen Katalysatorteilchen über den zwischen dem Auslauftrichter (12) und dem diesen umgebenden ähnlichen hohlpyramidenstumpfförmigen Trichter (21) bestehenden Zwischenraum (20) abfließen kann.

Der obere Rand des hohlquaderförmigen Abschnitts (22) des Trichters (21) ragt über das im Druckbehälter (1) vorliegende Flüssigkeitsniveau (19) hinaus. Da der Zwischenraum (20) nach unten offen ist, strömt die verbleibende Suspension in den oberen Abschnitt des zwischen der Innenwand des Druckbehälters (1) und dem Mantel (7) des Wärmetauschers (2) bestehenden Zwischenraums (3), in dem eine Beruhigung der verbleibenden Suspension erfolgt, die feinkörnigen Katalysatorteilchen auf Grund ihres gegenüber den flüssigen Kohlenwasserstoffen größeren spez. Gewichts abgetrennt und als Aufschlämmung im Bereich des Bodens des Druckbehälters (1) sedimentieret werden. Dem oberen Abschnitt des Trichters (21) gegenüberliegend befindet sich eine an der Innenseite des Druckbehälters (1) umlaufende Rinne (23), deren Überströmkante geringfügig unterhalb des in dem Druckbehälter (1) vorhandenen Flüssigkeitsniveaus (19) liegt, so dass die in dem zwischen der Rinne (23) und dem Trichter (21) bestehenden als Beruhigungszone dienenden Zwischenraum entstandenen geklärten flüssigen Kohlenwasserstoffe in die Rinne (23) überströmen und über Leitung (24) aus dem Druckbehälter (1) ausgeleitet werden.

Ausgehend von einer außerhalb des Druckbehälters (1) befindlichen Dampftrommel (25) werden die Kanäle (6) des Plattenwärmetauschers (2) über Leitung (26) mit einem wärmeaufnehmendem Medium beaufschlagt. Über Leitung (27) werden die in den Kanälen (6) gebildeten Brüden zur Dampftrommel (25) zurückgeleitet. Über Leitung (28) kann Aufschlämmung aus dem Druckbehälter (1) ausgeleitet werden.

Im Unterschied zu Fig. 1 sind bei dem in Fig. 2 dargestellten Reaktor in dem Druckbehälter (1) zwei zusätzliche Plattenwärmetauscher (29,30) in Reihe unter dem Plattenwärmetauscher (2) angeordnet, wobei am unterem Rand ihres Mantels (31,32) umlaufend jeweils ein hohlpyramidenstumpfförmiger Einlauftrichter (33,34) mit seinem sich verengenden Ende befestigt ist. Die Suspension aus Einsatzkohlenwasserstoffen mit darin dispergierten feinkörnigen Katalysatorteichen strömt durch die Kanäle (35,36) der Plattenwärmetauscher (29,30) im Gleichstrom von unten nach oben, während das wärmeaufnehmende Medium in quer dazu verlaufenden Kanälen (37,38) geführt ist. Das wärmeaufnehmende Medium wird über die Teilleitungen (39,40) den Kanälen (37,38) zugeführt und die entstandenen Brüden aus den Kanälen (37,38) über die Teilleitungen (41,42) und die Leitung (27) abgeführt. In dem zwischen dem oberen Plattenwärmetauscher (2) und dem mittleren Plattenwärmetauscher (29) sowie dem mittleren Plattenwärmetauscher (29) und dem unteren Plattenwärmetauscher (30) bestehenden Zwischenraum befindet sich jeweils ein ein Trapezprofil besitzendes Verteilerblech (43,44), dessen Größe der Größe des Querschnitts des Plattenwärmetauschers entspricht, mit im Bereichen der Profil-Täler und Profil-Berge angebrachten Durchbrechungen, deren Öffnungsquerschnitt im Bereich der Profil-Berge kleiner als im Bereich der Profil-Täler ist. Durch die Verteilerbleche (43,44) werden die in der Dispersion aufsteigenden größeren Gasblasen in kleiner Gasblasen zerteilt.

Wie der in Fig. 3 dargestellte Teilquerschnitt durch einen aus geprägten übereinander gepackten Formblechen (45) aus austenitischem Werkstoff aufgebauten Plattenwärmetauscher (2,29, 30) zeigt, bilden zwei übereinandergelegte Formbleche den horizontalen Strömungsweg (46) für das wärmeaufnehmende Medium und zwei übereinander gelegte Formbleche den senkrechten Strömungsweg (47) für die mit Synthesegas begaste aufsteigende Suspension aus Einsatzkohlenwasserstoffen mit darin dispergierten feinkörnigen Katalysatorteilchen.