kohlenwasserstoffhaltigen Gasstromes

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung der autothermen Gasphasendehydrierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasstromes, insbesondere eines Propan oder Butan enthaltenden Gasstromes, unter Verwendung eines heterogenen Katalysators, der als Monolith ausgebildet ist.

Keramische oder metallische Monolithe sind als Katalysatorträger für Edelmetallkatalysatoren in der mobilen und stationären Abgasreinigung etabliert. Die Kanäle bieten der Strömung einen geringen Strömungswiderstand bei gleichzeitig gleichmäßiger Zugänglichkeit der äußeren Katalysatoroberfläche für gasförmige Reaktions- medien. Dies ist vorteilhaft gegenüber regellosen Haufwerken, bei denen durch unzählige Umlenkungen bei der Strömung um die Partikel ein großer Druckverlust entsteht und die Katalysatoroberfläche eventuell nicht gleichmäßig genutzt wird. Der Einsatz von Monolithen ist generell interessant für katalytische Prozesse mit hohen Volumenströmen und adiabater Reaktionsführung bei hohen Temperaturen. Diese Merkmale treffen in der chemischen Produktionstechnik insbesondere für Dehydrierungsreaktionen zu, die in einem Temperaturbereich von 400 °C bis zu 700 °C ablaufen.

Fortschritte in der Katalysatortechnik ermöglichen die selektive Verbrennung des Dehydrierwasserstoffes in Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise in US 7,034,195 beschrieben. Eine derartige Fahrweise wird als autotherme Dehydrierung bezeichnet und erlaubt, Dehydrierreaktoren direkt zu beheizen, so dass aufwändige Vorrichtungen zur indirekten Vor- und Zwischenheizung des Reaktionsgemisches entfallen. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in US 2008/01 19673 beschrieben. Dieses Verfahren besitzt jedoch den gravierenden Nachteil, dass die Dehydrierung an einem heterogenen Katalysator in Pelletform durchgeführt wird: Der hohe Strömungswiderstand von Pelletschüttungen erfordert einen großen Reaktorquerschnitt und eine entsprechend niedrige Durchströmungsgeschwindigkeit, um den Druckabfall in der katalytisch aktiven Schicht zu begrenzen. Dieser Nachteil wird durch eine sehr aufwändige Vorrichtung zur Dosierung und Verteilung des Sauerstoffes ausgeglichen, was den Vorteil der autothermen Dehydrierung beeinträchtigt. Die EP-A 2 506 963 stellt einen Reaktor in Form eines liegenden Zylinders zur

Durchführung einer autothermen Gasphasendehydrierung eines kohlenwasserstoff- haltigen Gasstromes mit einem Sauerstoff enthaltenden Gasstrom unter Erhalt eines Reaktionsgasgemisches an einem heterogenen Katalysator, der als Monolith ausge- bildet ist, zur Verfügung, wobei der Innenraum des Reaktors durch ein lösbar, in Längsrichtung des Reaktors angeordnetes kreiszylindrisches oder prismatisches, in Umfangsrichtung gasdichtes, an beiden Stirnseiten desselben offenes Gehäuse G in einen Innenbereich A, mit einer oder mehreren katalytisch aktiven Zonen, worin jeweils eine Packung aus aufeinander, nebeneinander und hintereinander gestapelten Monolithen und vor jeder katalytisch aktiven Zone jeweils eine Mischzone mit festen Einbauten vorgesehen ist und einen koaxial zum Innenbereich A angeordneten Außenbereich B aufgeteilt ist, mit einer oder mehreren Zuführleitungen für den zu dehydrierenden

kohlenwasserstoffhaltigen Gasstrom in den Außenbereich B, Umlenkung des zu dehydrierenden Kohlenwasserstoffstroms an einem Ende des Reaktors und

Zuführung über einen Strömungsgleichrichter in den Innenbereich A, mit einer oder mehreren, unabhängig voneinander regelbaren Zuführleitungen für den Sauerstoff enthaltenden Gasstrom in jede der Mischzonen, wobei jede Zuführleitung eine oder mehrere Verteilerkammern versorgt, sowie mit einer Abführleitung für das Reaktionsgemisch der autothermen Gasphasendehydrierung am Ende des Reaktors wie die Zuführleitung für den zu dehydrierenden Kohlenwasserstoffstrom.

An dem Reaktorende, an dem die Abführleitung für das Reaktionsgasgemisch der autothermen Gasphasendehydrierung angeordnet ist, ist vorteilhaft ein Rohrbündelwärmetauscher vorgesehen, mit einem Bündel von Rohren, durch die das Reaktionsgasgemisch von der autothermen Gasphasendehydrierung kommend geleitet wird, und wobei durch den Mantelraum um die Rohre, im Gegenstrom zum Reaktionsgasgemisch der autothermen Gasphasendehydrierung der zu dehydrierende kohlen- wasserstoffhaltige Gasstrom geleitet wird. Die WO 2012/084609 schlägt, ausgehend von der EP-A 2 506 963, einen aus sicherheitstechnischer Sicht verbesserten Reaktor vor, wonach der Außenbereich B mit einem unter den Reaktionsbedingungen der autothermen Gasphasendehydrierung inerten Gas beaufschlagt ist und dass der zu dehydrierende kohlenwasserstoffhaltige Gasstrom über eine Zuführleitung in den Wärmetauscher eingeleitet, durch das

Reaktionsgasgemisch im Gegenstrom durch indirekten Wärmetausch aufgeheizt und weiter an das dem Wärmetauscher entgegengesetzte Ende des Reaktors geleitet, dort umgelenkt, über einen Strömungsgleichrichter in den Innenbereich A eingeleitet, und in den Mischzonen mit dem Sauerstoff enthaltenden Gasstrom vermischt wird, worauf im Innenbereich A des Reaktors die autotherme Gasphasendehydrierung stattfindet.

Das Design der obigen Reaktoren ist jedoch aufwendig, insbesondere durch die Aufteilung des Reaktorinnenraumes in einen Innenbereich und einen Außenbereich, in dem ein in Längsrichtung des Reaktors angeordnetes Gehäuse vorgesehen ist.

Die EP 2931413 beschreibt einen Reaktor mit dem gegenüber einfacherem Design und einfacherem Austausch der Monolithe, in dem ein Reaktor vorgeschlagen wird in Form eines Zylinders mit vertikaler Längsachse zur Durchführung einer autothermen Gasphasendehydrierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasstromes mit einem Sauerstoff enthaltenden Gasstrom unter Erhalt eines Reaktionsgasgemisches, an einem heterogenen Katalysator, der als Monolith ausgebildet ist, wobei im Innenraum des Reaktors eine oder mehrere katalytisch aktive Zonen angeordnet sind, umfassend jeweils eine Packung aus neben- und/oder übereinander gestapelten Monolithen und wobei vor jeder katalytisch aktiven Zone jeweils eine

Mischzone mit festen Einbauten vorgesehen ist, mit einer oder mehreren Zuführleitungen für den zu dehydrierenden kohlenwasserstoffhaltigen Gasstrom am unteren Ende des Reaktors, mit einer oder mehreren, unabhängig voneinander regelbaren Zuführleitungen für den Sauerstoff enthaltenden Gasstrom in jede der Mischzonen, wobei jede Zuführleitung einen oder mehrere Verteiler versorgt, sowie - mit einer oder mehreren Abführleitungen für das Reaktionsgasgemisch der autothermen Gasphasendehydrierung am oberen Ende des Reaktors, wobei die eine oder jede der mehreren katalytisch aktiven Zonen über jeweils ein oder mehrere Mannlöcher von außerhalb des Reaktors zugänglich ist, und wobei die Innenwand des Reaktors durchgehend mit einer Isolationsschicht versehen ist.

Demgegenüber war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Reaktoren zur Durchführung der autothermen Gasphasendehydrierung eines

kohlenwasserstoffhaltigen Gasstromes, insbesondere eines Propan oder Butan enthaltenden Gasstromes, weiter zu verbessern, insbesondere bezüglich der

Reaktorstandzeiten, der Produktqualität und der Raum-Zeit-Ausbeute.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Reaktor in Form eines Zylinders mit vertikaler Längsachse zur Durchführung der autothermen Gasphasendehydrierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasstromes, insbesondere eines Propan oder Butan enthaltenden Gasstromes, mit einem Sauerstoff enthaltenden Gasstrom unter Erhalt eines Reaktionsgasgemisches an einem heterogenen Katalysator, der als Monolith ausgebildet ist, wobei - im Innenraum des Reaktors zwei, drei oder mehrere Reaktionszonen angeordnet sind, umfassend jeweils ein, zwei oder mehrere Module aus neben- und übereinander gestapelten Monolithen, wobei sich jedes der ein, zwei oder mehreren Module jeweils über die gesamte Höhe der Reaktionszone erstreckt und wobei vor jeder Reaktionszone jeweils eine Mischzone mit festen Einbauten vorgesehen ist, mit einer oder mehreren Zuführleitungen für den zu dehydrierenden

Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasstrom am oberen Ende des Reaktors, - mit einer oder mehreren, unabhängig voneinander regelbaren Zuführleitungen, für den Sauerstoff enthaltenden Gasstrom in jede der Mischzonen, wobei jede Zuführleitung einen oder mehrere Sauerstoffgasverteiler versorgt, sowie mit einer oder mehreren Abführleitungen für das Reaktionsgasgemisch der autothermen Gasphasendehydrierung am unteren Ende des Reaktors, dadurch gekennzeichnet ist, dass der Reaktor in die folgenden Bauteilen zerlegbar ausgebildet ist: ein Kopfteil, in das der zu dehydrierende Kohlenwasserstoff enthaltende

Gasstrom zugeführt, über einen Kohlenwasserstoffgasverteiler gleichförmig über den Querschnitt des Reaktors verteilt, und in einer ersten Mischzone mit einem ersten, Sauerstoff enthaltenden Gasstrom vermischt wird, der über eine oder mehrere, unabhängig von einander regelbare Zuführleitungen zugeführt wird, wobei jede Zuführleitung einen oder mehrere Sauerstoffgasverteiler versorgt, ein oder mehrere Mittelteile, umfassend jeweils eine Reaktionszone, eine oder mehrere weitere, unabhängig voneinander regelbare Zuführleitungen, für einen weiteren, Sauerstoff enthaltenden Gasstrom, wobei jede Zuführleitung einen oder mehrere Sauerstoffverteiler versorgt, sowie eine Mischzone mit festen Einbauten, und - ein Bodenteil, das lediglich eine Reaktionszone aufweist, nicht jedoch eine

Zuführleitung für einen weiteren Sauerstoff enthaltenden Gasstrom, sowie auch keine weitere Mischzone, und dass in den zwei, drei oder mehreren Reaktionszonen jeweils eine räumliche Matrix aus zwei, drei oder mehreren in Strömungsrichtung des Reaktionsgasgemisches durch den Reaktor offenen Führungsschächten mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt vorgesehen ist, und wobei sämtliche der neben- und übereinander angeordneten Monolithe eines Moduls jeweils in demselben Führungsschacht eingeschoben sind.

Erfindungsgemäß wird somit ein Reaktor vorgeschlagen, der in mehrere, vom

Reaktionsgasgemisch nacheinander durchströmbare Bauteile (Reaktorschüsse) zerlegbar aufgebaut ist, und der darüber hinaus Führungsschächte zur Aufnahme von Monolithmodulen aufweist.

Bevorzugt weist der Reaktor einen Durchmesser im Bereich von 0,5 m bis 10 m, insbesondere im Bereich von 2,5 m bis 5 m, auf.

Die autotherme Gasphasendehydrierung des kohlenwassertsoffhaltigen Gasstromes findet an einem heterogenen Katalysator statt, der in Form von Monolithen vorliegt.

Als Monolith wird vorliegend ein einstückiger, parallelepipedischer Block mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, durchgehenden Kanälen mit engem Querschnitt, im Bereich von etwa 0,36 mm ² bis 9 mm ² , verstanden. Die Kanäle sind bevorzugt mit quadratischem Querschnitt ausgebildet, insbesondere mit einer

Seitenlänge des Quadrates im Bereich von 0,6 mm bis 3 mm, besonders bevorzugt von 1 ,0 mm bis 1 ,5 mm.

Die Monolithe sind bevorzugt aus einem keramischen Werkstoff als Trägermaterial gebildet, worauf eine katalytisch aktive Schicht, bevorzugt nach dem sogenannten Wash-Coating-Verfahren, aufgebracht ist. Das gängigste Material für monolithische Strukturen ist Cordierit (ein Keramikmaterial, das aus Magnesiumoxid, Siliciumoxid und Aluminiumoxid im Verhältnis 2:5:2 besteht). Andere Materialien, deren Monolithstrukturen im Handel erhältlich sind, sind Metalle, Mullit (Mischoxid von Siliciumoxid und Aluminiumoxid, Verhältnis 2:3) und Silicium- carbid. Diese Materialien haben ähnlich wie Cordierit eine niedrige spezifische BET- Oberfläche (BET = Brunauer, Emmet und Teller, z.B. für Cordierit typischerweise 0,7 m ² /g).

Monolithische Keramikelemente sind mit Zelldichten von 25 cpsi bis 1600 cpsi (cpsi = Zellen pro Quadratzoll, entspricht einer Zellgröße von 5 mm bis 0,6 mm) erhältlich. Durch Verwendung einer höheren Zelldichte nimmt die geometrische Oberfläche zu, so dass der Katalysator effizienter verwendet werden kann. Nachteile von höheren Zelldichten sind ein etwas schwierigeres Herstellungsverfahren, eine schwierigere

Washcoat-Beschichtung und ein höherer Druckverlust über den Reaktor. Des weiteren sind in der Regel bei großen Zelldichten auch die Stege dünner, was die mechanische Stabilität der Monolithe verringert. Der Druckverlust bleibt jedoch für Monolithen mit hoher Zelldichte im Vergleich zu einem Füllkörperreaktor sehr gering (in der Regel um den Faktor 10 geringer), was auf die geraden Monolithkanäle zurückzuführen ist.

Zur Herstellung von monolithischen Keramikelementen kann man eine Mischung von Talk, Ton und einer aluminiumoxidliefernden Komponenten und Siliciumdioxid herstellen, die Mischung zur Bildung einer Formmasse mischen, die Mischung formen, die Rohware trocknen und sie bei einer Temperatur von 1200 °C bis 1500 °C erhitzen, wobei man eine Keramik erhält, die hauptsächlich Cordierit enthält und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Allgemein gesprochen kann man eine Paste mit entsprechenden rheologischen Eigenschaften und entsprechender Theologischer Zusammensetzung zu einem Monolithträger extrudieren. Die Paste besteht in der Regel aus einer Mischung von Keramikpulvern geeigneter Größe, anorganischen und/oder organischen Additiven, Lösungsmittel (Wasser), Peptisierungsmittel (Säure) zur Einstellung des pH-Werts und einem permanenten Bindemittel (kolloidale Lösung oder Sol). Bei den Additiven kann es sich um einen Weichmacher oder ein Tensid zur Einstellung der Viskosität der Paste oder ein temporäres Bindemittel, das später abgebrannt werden kann, handeln. Zuweilen werden Glas- oder Kohlefasern zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Monolithen zugesetzt. Das permanente Bindemittel sollte die innere Festigkeit des Monolithen verbessern.

Cordierit-Monolithe können aus einer Charge hergestellt werden, die aus Talk, Kaolin, calciniertem Kaolin und Aluminiumoxid besteht und zusammen eine chemische Verbin- dung aus 45 bis 55 Gew.-% Si0 ₂ , 32 bis 40 Gew.-% Al ₂ 0 ₃ und 12 bis 15 Gew.-% MgO liefern. Talk ist ein Material, das hauptsächlich aus Magnesiumsilicathydrat,

Mg3Si ₄ Oio(OH) ₂ besteht. Der Talk kann je nach Quelle und Reinheit auch mit anderen Mineralien wie Tremolit (CaMg ₃ (Si0 ₃ )4), Serpentin (3Mg0.2Si0 ₂ , 2H ₂ 0), Anthophyllit (Mg ₇ (OH)2(Si40n)2), Magnesit (MgCOs), Glimmer und Chlorit vergesellschaftet sein.

Durch Extrusion können auch Monolithe aus anderen Materialien wie SiC, B ₄ C, S13N4, BN, AIN, AI2O3, Zr0 ₂ , Mullit, Al-Titanat, ZrB ₂ , Sialon, Perowskit, Kohlenstoff und Ti0 ₂ hergestellt werden. Von Bedeutung hinsichtlich der Eigenschaften der Monolithprodukte sind bei der Extrusion neben der Qualität der Düse, der Art und den Eigenschaften der zur Herstellung der formbaren Mischung verwendeten Materialien auch die zugesetzten Additive, der pH-Wert, der Wassergehalt und die bei der Extrusion verwendete Kraft. Bei den bei der Extrusion angewandten Additiven handelt es sich beispielsweise um Cellulosen, CaCI ₂ , Ethylenglykole, Diethylenglykole, Alkohole, Wachs, Paraffin, Säuren und hitzebeständige anorganische Fasern. Neben Wasser können auch andere Lösungsmittel verwendet werden, wie Ketone, Alkohole und Ether. Der Zusatz von Additiven kann zu verbesserten Eigenschaften der Monolithe, wie der Bildung von Mikrorissen, die die Temperaturwechselbeständigkeit verbessert, besserer Porosität und besserem

Absorptionsvermögen und erhöhter mechanischer Festigkeit oder geringer Wärmeausdehnung führen.

Die monolithische Grundstruktur wird mit einer Katalysatorträgerschicht, die ein oder mehrere keramischen Oxide umfasst, oder einer Katalysatorschicht, die die katalytisch wirksamen Metalle und die fakultativen weiteren (Promotor-)Elemente bereits auf dem keramischen Oxidträgermaterial geträgert umfasst, beschichtet, wobei die Beschich- tung nach einer Washcoat-Beschichtungsmethode hergestellt wird. Die Monolithe sind im Reaktor in den Reaktionszonen dergestalt eingebaut, dass die Kanäle derselben in vertikaler Richtung durch das Reaktionsgasgemisch durchströmt werden. Die Monolithe sind neben- und übereinander zu Modulen gestapelt; dabei kann jede der zwei, drei oder mehreren Reaktionszonen jeweils ein, zwei oder mehrere Module aus neben- und übereinander gestapelten Monolithen aufweisen.

Jedes der ein, zwei oder mehreren Module erstreckt sich im Wesentlichen jeweils über die gesamte Höhe der jeweiligen Reaktionszone.

Ein Modul kann beispielsweise vier mal vier Monolithe in einer horizontalen Ebene (Lage) im Reaktor und 15 Monolithe in vertikaler Richtung umfassen, oder auch drei mal drei Monolithe in horizontaler Richtung und 15 Monolithe in vertikaler Richtung.

Zur Aufnahme jedes der aus neben- und übereinander angeordneten Monolithen gebildeten Module ist jeweils ein in Strömungsrichtung des Reaktionsgasgemisches durch den Reaktor offener Führungsschacht mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt vorgesehen.

Die Führungsschächte sind bevorzugt aus einem hitzebeständigen metallischen Werkstoff gebildet, bevorzugt aus einem Edelstahl mit einer der Werkstoffnummern 1 .4541 oder 1.4910 oder 1.4841 . In einer bevorzugten Ausführungsform sind die zwei, drei oder mehreren, in

Strömungsrichtung des Reaktionsgasgemisches durch den Reaktor offenen

Führungsschächte mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt lösbar miteinander verbunden. Die einzelnen Führungsschächte sind in dieser

Ausführungsform lösbar miteinander verbunden, das heißt sie bilden eine

mehrstückige räumliche Matrix im Reaktorinnenraum.

In einer alternativen Ausführungsform sind die zwei, drei oder mehreren, in

Strömungsrichtung des Reaktionsgasgemisches durch den Reaktor offenen

Führungsschächte mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt fest miteinander verbunden. In dieser Ausführungsform sind die einzelnen Führungsschächte nicht lösbar (also fest) miteinander verbunden, das heißt sie bilden eine einstückige räumliche Matrix im Reaktorinnenraum. Bevorzugt ist die Matrix aus Führungsschächten selbsttragend und verwindungssteif gefertigt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Matrix aus Führungsschächten verschweißt. Zwischen den Führungsschächten und den darin einzuschiebenden Modulen aus Monolithen muss ein geeignetes Spiel vorhanden sein, damit die Module bei Bedarf, sobald die Katalysatoraktivität unter ein vorgegebenes Niveau abfällt, ausgetauscht werden können. Innerhalb eines Moduls bilden die nebeneinander angeordneten Monolithe jeweils eine horizontale Lage.

In einer bevorzugten Ausgestaltung bilden die nebeneinander angeordneten Monolithe eines Moduls jeweils eine Lage, die bevorzugt mittels Abstandhaltern zur

nächstfolgenden Lage beabstandet ist.

Zwischen den einzelnen horizontalen Lagen innerhalb eines Moduls sind zu diesem Zweck vorteilhaft Leerräume bzw. beabsichtigte Abstände, insbesondere im Bereich von ca. 10 mm bis 30 mm, vorgesehen, damit sich das Reaktionsgas erneut über den Reaktorquerschnitt vermischen kann.

Zur Beabstandung der einzelnen horizontalen Lagen sind vorteilhaft Abstandhalter vorgesehen. Die Abstandhalter werden so zu platziert, dass möglichst keine

Monolithkanäle versperrt werden.

Als Abstandhalter werden vorteilhafterweise Blechstreifen mit geprägten Sicken eingesetzt und/oder das Modulgehäuse selbst weist geprägte Sicken auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die jeweils eine Lage bildenden, nebeneinander angeordneten Monolithe eines Moduls gegeneinander und zur Modulwand hin mit Faser- oder Blähmatten abgedichtet.

In einer geeigneten Ausgestaltung sind die Module aus neben- und übereinander gestapelten Monolithen zu den Führungsschächten hin gasdicht abgedichtet, insbesondere mittels Faser- oder Blähmatten oder durch Schweißlippendichtungen. Um zu gewährleisten, dass das Reaktionsgasgemisch ausschließlich durch die in Reaktorlängsrichtung angeordneten Kanäle der Monolithe strömt, sind die in die Führungsschächte eingeschobenen Module gegenüber denselben abgedichtet. Hierzu weisen die Module in einer bevorzugten Ausführungsform an ihrem oberen

Ende eine Umbordelung (Abkantung) auf. Zwischen der Umbordelung und dem oberen Befestigungsbereich der Führungsschächte ergibt sich eine Überlappungsfläche, die abgedichtet werden muss. Dazu kann eine Dichtung eingelegt werden und die Module zusammen mit der eingelegten Dichtung mit den Führungsschächten verschraubt werden.

Als Dichtung eignen sich zum Beispiel Hochtemperaturfasermatten.

In einer besonders geeigneten Ausführungsform kann zur Abdichtung der Module gegen die Führungsschächte eine Schweißlippendichtung vorgesehen sein.

Da der Reaktor zylindrisch ist und die Führungsschächte einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen, ist es bevorzugt, den Randbereich zwischen der Reaktorinnenwand und den Führungsschächten abzudichten.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der Randbereich zwischen der Innenwand des Reaktors und den Führungsschächten sowie die einzelnen

Führungsschächte gegeneinander gasdicht abgedichtet. Hierzu empfehlen sich Verdränger, die geometrisch dem Zwischenraum zwischen Reaktorinnenwand und Führungsschächten angepasst sind.

In einer Ausführungsform können diese mit Füllstoffen gefüllte metallische Kästen sein. In einer weiteren Ausführungsform können die Verdränger aus einem gegossenen Material gebildet sein, beispielsweise aus leichtem Blähbeton oder aus Keramik.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Innenwand des Reaktors eine oder mehrere gasdichte Isolationsschichten auf.

Die Reaktorinnenwand weist vorteilhaft eine Isolationsschicht auf. Dadurch ist der Reaktormantel einer niedrigeren Temperatur ausgesetzt und kann somit aus einem preiswerteren Werkstoff und/oder in geringerer Dicke ausgeführt werden gegenüber einer Ausführungsform ohne Isolationsschicht.

Die Isolationsschicht ist bevorzugt mehrlagig ausgebildet. Sie kann auch aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. In einer Ausführungsform kann als

Isolationsmaterial mikroporöses Material eingesetzt werden, das in Blechkassetten eingebaut ist. Bevorzugt sind eventuelle Stöße einzelner Kassetten gegeneinander versetzt angeordnet, um die Wärmeverluste zu verringern. Die Isolationsschicht ist vorteilhafterweise gasdicht. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem, über die Isolationsschicht eine dünne Edelstahlverkleidung gezogen wird, auch Metallhemd genannt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Isolationsschicht an der Innenwand des Reaktors im Bereich der Reaktionszonen doppellagig ausgeführt, mit einer ersten, an der Innenwand des Reaktors anliegenden, druckstabilen Lage sowie einer zweiten, zum Reaktorinnenraum hin ausgerichteten Lage, die aus einer Blähmatte gebildet ist, und in den übrigen Bereichen einlagig aus einer hochtemperaturstabilen Fasermatte, die zum Reaktorinnenraum hin eine Blechverkleidung aufweist. In einer geeigneten Ausführungsform weist die Reaktorwand eine Außenisolierung auf.

Der kohlenwasserstoffhaltige Eduktstrom strömt heiß, bei Reaktionstemperatur, insbesondere bei 480 °C bis 520 °C oder auch leicht überhitzt, über einen

Zuführstutzen in das Kopfteil des Reaktors und wird über einen

Kohlenwasserstoffgasverteiler, bevorzugt über Lochblechverteiler mit unterschiedlichen Lochgrößen grob über die Querschnittsfläche des Reaktors verteilt.

Daran schließt sich vorteilhafterweise ein mehrstufiger Strömungsgleichrichter mit großen Öffnungsverhältnissen an, der am unteren Ende des Haubenteils des Kopfteils angeordnet ist, wo der Querschnitt desselben bereits dem zylindrischen

Reaktorquerschnitt entspricht.

Die Innenwand des Kopfteils ist vorteilhaft ein- oder mehrlagig gasdicht thermisch isoliert. Vorteilhafterweise ist die Isolierung mit einem Metallhemd ausgekleidet.

Anschließend folgt die Zuführung eines Sauerstoff enthaltenden Gasstromes über eine oder mehrere, unabhängig voneinander regelbare Zuführleitungen, wobei jede Zuführleitung einen oder mehrere Sauerstoffgasverteiler umfasst. Der

Sauerstoffgasverteiler ist im zylindrischen Teil des Kopfteils angeordnet.

Die Sauerstoffgasverteiler können vorteilhaft als Ringverteiler oder Stabverteiler, insbesondere als miteinander verschweißte oder verschraubte Rohre mit Öffnungen, ausgebildet sein.

Der kohlenwasserstoffhaltige und der Sauerstoff enthaltende Gasstrom werden anschließend in einer Mischzone mit festen Einbauten vermischt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann hierfür ein mehrschichtiges versetztes Plattensystem oder ein radiales Mischsystem eingesetzt werden, bei dem das zu mischende Gas zwischen zueinander beabstandeten Platten mit dazwischen angeordneten statischen Mischern geführt wird.

Die Mischeinrichtungen sind vorteilhaft dergestalt ausgelegt, dass eine Mischgüte von mindestens 95 % erreicht wird.

Die unterste Lage der plattenformigen Mischelemente ist durch Spalte unterbrochen, durch die das Reaktionsgasgemisch in einem breiten Flachstrahl strömt. Dabei bilden sich im Strömungsschatten unterhalb der plattenformigen Mischelemente Wirbelwalzen aus, die wesentlich für die Vermischung sind.

Damit der Reaktionsgasgemischstrahl nicht unmittelbar auf die Monolithe aufprallt, wird vorteilhaft zur Vergleichmäßigung der Strömung eine weitere Lochblecheinrichtung vorgesehen. Dadurch wird insbesondere ein mechanischer Schutz der Monolithe gewährleistet. Demgegenüber ist die Vergleichmäßigung der Gasverteilung auf die einzelnen Monolithkanäle eher von untergeordneter Bedeutung, da der Druckverlust über die Kanäle ausreichend groß ist.

Das Öffnungsverhältnis sowie die Lochdurchmesser sind vorteilhafterweise dergestalt zu wählen, dass die Beabstandung der Lochbleche zu den Monolithen im Bereich von etwa dem zehnfachen des mittleren Lochdurchmessers des Bleches liegt. Das Kopfteil ist vorteilhaft geflanscht. In einer weiteren Ausführungsform ist es mit einer Schweißlippendichtung mit dem ersten oder einzigen Mittelteil des Reaktors verbunden. Hierbei ist es wesentlich zu beachten, dass der Abstand von der Mischzone des Kopfteiles bis zur ersten Reaktionszone im ersten oder im einzigen Mittelteil ausreichend kurz ist, so dass die Gesamtverweilzeit des Reaktionsgasgemisches unter 100 ms bleibt. Dies gilt auch für die anderen Einmischzonen.

In dem einen oder den mehreren Mittelteilen ist jeweils eine Reaktionszone

angeordnet, umfassend jeweils ein, zwei oder mehrere Module aus neben- und übereinander gestapelten Monolithen, wobei sich jedes der ein, zwei oder mehreren Module jeweils über die gesamte Höhe der Reaktionszone erstreckt.

Die Module sind dergestalt ausgebildet, dass jeweils mehrere Monolithe in horizontaler Richtung, nebeneinander, zu jeweils einer Lage zusammengesetzt werden, und dass mehrere Lagen übereinander zu jeweils einem Modul zusammengesetzt werden. Zwischen den Monolithen sind zur Abdichtung Blähmatten bzw. Lagermatten vorgesehen. Die Monolithe sind ebenfalls zur metallischen Einfassung der Modulwand hin abgedichtet, vorzugsweise ebenfalls mit Blähmatten bzw. Lagermatten.

Blähmatten sind aus der katalytischen Abgasreinigung bekannt und beispielsweise in DE-A4026566 beschrieben. Sie bestehen im Wesentlichen aus Keramikfasern mit

Glimmereinlagerung, insbesondere Vermiculit. Infolge der Glimmereinlagerung hat die Blähmatte bei steigenden Temperaturen das Bestreben, sich auszudehnen, wodurch eine besonders sichere Halterung des darin eingehüllten Körpers auch bei höheren Temperaturen erreicht wird. Als Lagermatten können bevorzugt Interam ® Lagermatten der Firma 3 M ® eingesetzt werden.

Die einzelnen Monolithlagen eines Moduls können direkt aufeinander aufgesetzt oder zueinander beabstandet sein. Bei beabstandeten Lagen ist es vorteilhaft Abstandhalter einzusetzen.

Die aus Monolithen gebildeten Module weisen vorteilhafterweise in Längsrichtung der Kanäle derselben eine metallische Einfassung auf. Um eine Durchbiegung derselben zu vermeiden, ist es vorteilhaft, zwischen den Monolithlagen Zuganker einzusetzen. Diese sind mit der gegenüberliegenden Wand festverbunden, insbesondere

verschraubt oder verschweißt. Zuganker können durch geeignete Dimensionierung derselben auch als Abstandhalter zwischen den Monolithen eingesetzt werden. Die Zuganker haben auch den weiteren Vorteil, dass die Monolithe nicht in den Modulen in vertikaler Richtung verrutschen können. Dies könnte im Falle von einem Versagen der Bläh- und/oder Fasermatten auftreten. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist der Reaktor ein einziges Mittelteil auf.

In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Reaktor zwei, drei oder mehrere, bevorzugt gleichartig ausgebildete Mittelteile auf.

An das eine oder die mehreren Mittelteile schließt sich unterhalb derselben ein

Bodenteil an, das eine weitere Reaktionszone umfasst, die den oben beschriebenen Reaktionszonen entspricht, nicht jedoch eine weitere Zuführung von Sauerstoff enthaltendem Gas sowie auch keine weitere Mischzone.

Die jeweils eine Reaktionszone ausbildenden Module liegen bevorzugt auf Trägern auf oder hängen, getragen von der Umbördelung des Modulgehäuses, in den

Führungsschächten. Eine weitere Möglichkeit ist, auf Trägern Auflageroste

anzuordnen, auf denen die Module direkt aufliegen.

Des Weiteren können die Module direkt auf den Trägern aufgestellt sein oder in den Führungsschächten hängen. In diesem Falle sind im untersten Bereich des Moduls ein Auflagesystem in Form eines Auflagenrostes integriert.

Die Auflageroste sind vorteilhaft dergestalt ausgebildet, dass sie die Kanäle für die Durchströmung durch das Reaktionsgasgemisch nicht versperren, also offenporig sind. Um dies zuverlässig zu verhindern, ist es vorteilhaft, im unmittelbar an den Auflagerost angrenzenden Bereich eine oder mehrere Lagen von Monolithen vorzusehen, die einen wesentlich größeren Querschnitt der Kanäle gegenüber den übrigen, vom Auflagerost weiter entfernt liegenden Monolithen, aufweisen. Alternativ können auf den Auflagerost eine oder mehrere Lagen eines Drahtnetzes vorgesehen sein, wobei die Maschen der unmittelbar auf dem Auflagerost befindlichen Lage etwas gröber sind und zu den Monolithen hin zunehmend feiner werden.

Bevorzugt sind Maschenweiten im Bereich von 5 bis 15 mm und Drahtdurchmesser im Bereich von 0,2 bis 2 mm.

Zusätzlich oder alternativ kann im unmittelbar an den Auflagerost angrenzenden Bereich eine Lage aus einer offenporigen Schaumkeramik, bevorzugt mit einem für die Reaktionsgasströmung freien Lückenvolumen von 70 % bis 90 %, vorgesehen sein. Besonders bevorzugt kann im unmittelbar an den Auflagerost angrenzenden Bereich eine erste Lage aus einer hochporösen Schaumkeramik, insbesondere mit einem freien Lückenvolumen von ca. 70 % und einer Höhe im Bereich von 10 mm bis 100 mm, bevorzugt im Bereich von 40 mm bis 60 mm, vorgesehen sein, und darüber eine zweite Lage, die aus Monolithen mit einer Dicke von 50 mm gebildet ist, die Kanäle mit größerem Querschnitt gegenüber den übrigen, vom Auflagerost weiter entfernt liegenden Monolithen, aufweisen. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Monolithe in den zwei oder mehreren Reaktionszonen mit jeweils unterschiedlicher katalytischer Aktivität ausgebildet.

In einer weiteren geeigneten Ausführungsform sind die einzelnen Lagen von

Monolithen aus unterschiedlichem Katalysatormaterial oder aus Katalysatormaterial mit unterschiedlicher Aktivität gebildet.

Da der Reaktor in Form von einzelnen Schüssen zerlegbar ausgebildet ist und

Führungsschächte für die Monolithmodule vorgesehen sind, ist es in einfacher Weise möglich, dieselben, nach Abfall der katalytischen Aktivität, in der Regel nach einer Betriebszeit von etwa ein bis zwei Jahren, einzeln auszutauschen, und zwar außerhalb des Reaktors, sodass eine präzisere und deutlich schnellere Arbeitsweise gegenüber einem Austausch der Monolithmodule über Mannlöcher im Inneren des Reaktors möglich ist. Dadurch kann der Katalysatorwechsel in bis zu einem Fünftel der bislang hierfür benötigten Zeit erfolgen, mit entsprechend deutlich niedrigerem Standzeitausfall.

Dadurch, dass der Katalysatorwechsel außerhalb des Reaktors erfolgt, ist der Reaktor auch aus sicherheitstechnischer Hinsicht vorteilhaft.

Indem durch Verzicht auf Mannlöcher der freie Reaktionsraum oberhalb der

Monolithmodule und unterhalb der jeweiligen Einmischvorrichtung klein gehalten werden kann, sind niedrige Verweilzeiten von in der Regel kleiner als 100 ms, möglich, so dass Nebenreaktionen deutlich begrenzbar sind, mit entsprechender Verbesserung der Produktqualität.

Insbesondere wird ein erfindungsgemäßer Reaktor zur Propan- oder

Butandehydrierung verwendet. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 6 sowie eines

Ausführungsbeispiels näher erläutert Figurenbeschreibung In den Figuren zeigt:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines

erfindungsgemäßen Reaktors (Basisaufbau),

Figur 2 eine Ergänzung des in Figur 1 dargestellten Basisaufbaus durch

zusätzliche Darstellung der eingebauten Monolithmodule,

Figur 3 einen Längsschnitt durch ein beispielhaftes Monolithmodul, gebildet aus

4 x 4 x 15 Monolithen,

Figur 3A einen Schnitt durch das in Figur 3 dargestellte Monolithmodul in der Ebene

C-C,

Figur 3B eine räumliche Darstellung des in Figur 3 dargestellten Monolithmoduls, Figur 4 einen Schnitt in der Ebene A-A durch den in Figur 2 dargestellten Reaktor mit Darstellung der Abdichtung im Bereich zwischen den Monolithmodulen und der Reaktorinnenwand,

Figur 5 einen Längsschnitt durch ein Mittelteil einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors, und

Figur 6 einen Schnitt in der Ebene D-D durch den in Figur 5 dargestellten Reaktor. den Figuren 1 bis 6 werden folgende Bezugszeichen verwendet:

B Butan enthaltender Gasstrom

R Reaktionsgasgemisch

O Sauerstoff enthaltende(r) Gasstrom/-ströme

1 Reaktor

2 Träger

3 (Monolith-)Modul

4 Monolith

5 Reaktionszone

6 Mischzone

7 Zuführleitung für Butan enthaltenden Gasstrom

8 Zuführleitung für Sauerstoff enthaltenden Gasstrom 9 Sauerstoffgasverteiler

10 Abführleitung

1 1 Führungsschacht

12 Abstandhalter

13 Kopfteil

14 Mittelteil

15 Bodenteil

16 Kohlenwasserstoffgasverteiler

17 Strömungsgleichrichter

18 Flansch

19 Dichtung

20 Reaktormantel

21 Außenisolierung

22 Innenisolierung

23 Blähmatte

24 Verdrängerelement

Der Längsschnitt in Figur 1 zeigt einen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors 1 in Form eines Zylinders mit vertikaler Längsachse zur Durchführung der autothermen Gasphasendehydrierung eines Butan enthaltenden Gasstromes B mit einem Sauerstoff enthaltenden Gasstrom O unter Erhalt eines Reaktionsgasgemisches R an einem heterogenen Katalysator, der als Monolith 4 ausgebildet ist.

Der Reaktor 1 weist an seinem oberen Ende eine Kopfteil 13 auf, in das eine

Zuführleitung 7 für einen Butan enthaltenden Gasstromes B mündet. Der Butan enthaltenden Gasstromes B wird über einen Kohlenwasserstoffgasverteiler 16 und einen Strömungsgleichrichter 17 gleichmäßig über den freien Reaktorquerschnitt verteilt und strömt im Reaktor nach unten. Unterhalb des Strömungsgleichrichters 17 mündet eine Zuführleitung 8 für einen Sauerstoff enthaltenden Gasstrom O in das Kopfteil 8. Der Sauerstoff enthaltenden Gasstrom wird mittels Sauerstoffgasverteiler über den freien Reaktorschnitt verteilt und in den Butan enthaltenden Gasstromes B eingeblasen. Beider Ströme werden in einer anschließenden Mischzone 6 innig durchmischt.

An den Kopfteil schließen sich zwei gleichartig ausgebildete Mittelteile 14 an, umfassend jeweils eine Reaktionszone 5 aus mehreren, jeweils aus neben- und übereinander gestapelten Monolithen 4 gebildeten Modulen 3, die, wie in der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform, jeweils auf einem Träger 2 aufliegen können. Die Module 3 aus den Monolithen 4 sind der Übersichtlichkeit halber in Figur 1 nicht dargestellt.

Der Bodenteil 15 des Reaktors 1 umfasst, analog den beiden Mittelteilen 14, eine Reaktionszone 5, jedoch keine weitere Zuführleitung 8 eines Sauerstoff enthaltenden Gasstromes O und auch keine entsprechenden Gasmischeinrichtungen mehr. Das Bodenteil 15 weist in seinem unteren Bereich eine Abführleitung 10 für die

Reaktionsprodukte in Form eines Reaktionsgasgemisches R auf.

Zusätzlich zu dem in Figur 1 dargestellten Basisaufbau verdeutlicht die Figur 2 die in den beispielhaft vorgesehenen drei Reaktionszonen 5 eingeschobenen Modulen 3 aus Monolithen 4.

Wie man den Figuren 1 und 2 entnehmen kann, ist der Reaktor 1 in einzelne Bauteile zerlegbar ausgebildet, insbesondere in das Kopfteil 13, die einzelnen Mittelteile 14 und das Bodenteil 15. Das Kopfteil 13, die Mittelteile 14 und das Bodenteil 15 sind im dargestellten Beispiel über Flansche 18 miteinander verbunden, zwischen denen Dichtungen 19 angeordnet sind. Im dargestellten Beispiel ist das Bodenteil 15 selbst wieder in zwei Einzelteile zerlegbar, die über eine Flanschverbindung verbunden sind.

Figur 3 stellt einen Längsschnitt durch ein Modul 3 aus Monolithen 4 dar, das beispielhaft im Querschnitt jeweils 4 x 4 Monolithe und in Längsrichtung 15 Monolithe aufweist. Die Monolithe sind mittels Blähmatten gegeneinander und zur Wandeinfassung hin abgedichtet.

Zwischen den einzelnen horizontalen Lagen von Monolithen 4 sind in vertikaler Richtung Abstandhalter 12 vorgesehen.

Die Anordnung der Monolithe in den einzelnen horizontalen Lagen ist in der Quer- Schnittsdarstellung in Figur 3a (Schnitt C-C) für eine beispielhafte 4 x 4-Monolith- anordung gezeigt.

Die räumliche Darstellung in Figur 3b verdeutlicht weiter den Aufbau eines Moduls aus 4 x 4 x 15 Monolithen, mit Blechummantelung in Längsrichtung desselben.

Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielhaften erfindungsgemäßen Reaktor mit 17 symmetrisch angeordneten Monolithmodulen 3, mit Abdichtung des Zwischenraumes zwischen den Monolithmodulen 3 und dem Reaktorinnenmantel, und mit Ausstattung des Reaktormantels 20 sowohl mit einer Außenisolierung 21 und eine Innenisolierung 22. Die Innenisolierung 22 ist außerdem innen und außen mit

Blähmatten 23 als zusätzliche Abdichtung versehen. Im Innenraum des Reaktors sind außerdem in den nicht durch Monolithe ausgefüllten Bereichen Verdrängerelemente 24 angeordnet, die gewährleisten, dass das Reaktionsgasgemisch nur durch den mit Monolithen ausgefüllten Querschnitt des Reaktors strömen kann.

Figur 5 zeigt einen Längsschnitt durch ein Mittelteil des in Figur 2 dargestellten Reaktors 1.

Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch den in Figur 5 dargestellten Mittelteil in der Ebene D-D, das heißt im Bereich des Sauerstoffgasverteilers 9 und der Zuführung 8 des Sauerstoff enthaltenen Gases O. Ausführungsbeispiel

Der beispielhafte Versuchsreaktor besteht aus drei Reaktionszonen. Vor jeder

Reaktionszone sind eine vorgeschaltete Zwischeneinspeisung für einen sauerstoffhaltigen Gasstrom und eine nachgeschaltete Mischzone installiert. Jede Reaktions- zone besteht aus je 15 Lagen katalytischer Monolithe mit den Abmessungen

150 x 150 x 150 mm, die hintereinander angeordnet sind. Jede Monolithlage besteht aus jeweils zwei Monolithen, die zu einem 2-er-Modul zusammengefasst sind. Der Hauptstrom ist der Zulauf mit einem butanhaltigen Gas. Dieser wird vor dem ersten Zulauf von sauerstoffhaltigem Gas vergleichmäßigt und nach dem Zulauf des sauer- stoffhaltigen Gases in einer Mischzone vermischt, bevor er in die erste Reaktionszone einströmt. Der Reaktionsgasstrom, der aus der letzten Monolithlage der ersten

Reaktionszone weitgehend gleichgerichtet herausströmt, wird mit dem zweiten Zulauf an sauerstoffhaltigem Gas beaufschlagt. Nach wiederholter Durchmischung strömt das Reaktionsgasgemisch in die zweite Reaktionszone und analog durch bzw. in die dritte Reaktionszone. In der Reaktionsgasabführleitung werden online-Gasanalysen, insbesondere GC, IR, durchgeführt.

Der Reaktor wird in zwei Betriebsmodi betrieben, dem eigentlichen Produktionsmodus und dem Regeneriermodus. Die Betriebszeit jedes Modus' dauert jeweils 12 h, so dass für eine großtechnische Umsetzung zwei Reaktoren in Wechselbetrieb notwendig sind.

Der Versuchsreaktor wurde mit den folgenden Zulaufströmen im Produktionsmodus betrieben: Zulauf butanhaltiges Gas Zulauf sauerstoffhaltiges Gas (ca. 50 mol-% Butan) ( ca. 15 mol-% Sauerstoff )

ReaktionsReaktionsReaktionszone 1 zone 2 zone 3

Massen¬

[kg/h] 640 86 63 58 strom

Temperatur [°C] 490 180 180 180

Druck [bar a] 2,6 2,6 2,4 2,2

In den Reaktionszonen lag die Betriebstemperatur während des Produktionsmodus zwischen 550 und 620 °C. Der Gesamtdruckverlust über die drei Reaktionszonen betrug 600 mbar.

Der Versuchsreaktor lief 4000 h TOS („time on stream"), das heißt es wurden 160 Zyklen gefahren. Ein Zyklus beinhaltet jeweils einen Produktions- und

Regeneriermodus.

Über die 160 Zyklen wurden die erwarteten Umsätze an Butan von 40 % und

Buten/Butadienselektivitäten von jeweils > 95% erreicht.