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Dokumentenidentifikation DE60121320T2 05.07.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001278711
Titel VERFAHREN ZUR KATALYTISCHEN OXYDATION VON KOHLENWASSERSTOFFEN
Anmelder Ineos Europe Ltd., Lyndhurst, Hampshire, GB
Erfinder COLMAN, Alan, Derek, Hampshire GU13 8PR, GB;
HESKETH, John, Trevor, Surrey KT13 9RX, GB;
REID, Allan, Ian, London SW18 5RX, GB;
WOODFIN, Terence, William, Hampshire RG25 9NF, GB
Vertreter Lederer & Keller, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60121320
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.04.2001
EP-Aktenzeichen 019737774
WO-Anmeldetag 30.04.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/GB01/01898
WO-Veröffentlichungsnummer 2001083405
WO-Veröffentlichungsdatum 08.11.2001
EP-Offenlegungsdatum 29.01.2003
EP date of grant 05.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.07.2007
IPC-Hauptklasse C07B 41/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C01B 3/36(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C07C 5/48(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C07C 69/15(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die katalytische Oxidation von Kohlenwasserstoffen und im besonderen auf die katalytische oxidative Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von Olefinen.

Verfahren für die katalytische Oxidation von Kohlenwasserstoffen sind allgemein bekannt, zum Beispiel die Oxidation von Methan zur Erzeugung von Synthesegas; die Oxidation von Ethylen zur Erzeugung von Ethylenoxid; die Oxidation von Ethylen und Essigsäure zur Erzeugung von Vinylacetat; die Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch die Oxidation von Buten, Butan oder Benzol; die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch die Oxidation von Naphthalin oder o-Xylol; die Ammonoxidation von Propan zu Acrylnitril.

WO 82/02548 bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zur teilweisen Oxidation von kohlenwasserstoffhaltigen Gasen, worin ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas vorerwärmt, mit Sauerstoff umgesetzt und gequencht wird.

Die katalytische oxidative Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen ist ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Olefinen. Ein Beispiel für ein solches Verfahren wird in EP-A-0 332 289 beschrieben. In diesem Verfahren werden ein Kohlenwasserstoff und ein Sauerstoffenthaltendes Gas mit einem Katalysator, mit dem die Verbrennung über die brennstoffreiche Grenze der Entflammbarkeit hinaus gefördert werden kann, kontaktiert. Der Kohlenwasserstoff wird teilweise verbrannt, und die produzierte Wärme wird dazu verwendet, die Dehydrierung der Kohlenwasserstoffspeisung in die Olefine herbeizuführen. Gegebenenfalls wird auch eine Wasserstoff-Coeinspeisung verbrannt, und die durch diese Verbrennungsreaktion produzierte Wärme wird dazu verwendet, die Dehydrierung des Kohlenwasserstoffs herbeizuführen.

WO 94/04632 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Monoolefinen aus einer Kohlenwasserstoffeinspeisung, die einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe mit mindestens zwei Kohlenstoffatomen enthält, wobei das Verfahren die teilweise Verbrennung eines Gemisches aus der Kohlenwasserstoffeinspeisung und einem molekularen Sauerstoff-enthaltenden Gas in Kontakt mit einem Katalysator, mit dem die Verbrennung über die normale brennstoffreiche Grenze der Entflammbarkeit hinaus gefördert werden kann, um Reaktionswärme zu erzeugen, umfaßt.

Im allgemeinen werden in katalytischen oxidativen Dehydrierungsverfahren die Reaktanten (Kohlenwasserstoff und ein Sauerstoff-enthaltendes Gas) direkt über den Katalysator geführt, um ein Olefinprodukt zu erzeugen. Typischerweise ist der Kohlenwasserstoff ein gesättigter Kohlenwasserstoff wie ein gesättigter C2-C10-Kohlenwasserstoff, wie Ethan, oder ein Gemisch aus gesättigten Kohlenwasserstoffen wie ein Gemisch aus C2-C10-Kohlenwasserstoffen, Benzin oder Gasöl. Der Kohlenwasserstoff kann bei Umgebungstemperatur und -druck gasförmig oder flüssig sein, ist typischerweise aber gasförmig.

In den Verfahren zur katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen ist es wünschenswert, die Reaktanten effektiv zu mischen und/oder daß ein einheitliches Geschwindigkeitsprofil des Reaktantengemisches vor dem Kontakt mit dem Katalysator vorliegt. Obgleich die Reaktanten (Kohlenwasserstoff und das Sauerstoff-enthaltende Gas) vor ihrer Einführung in den Reaktor gemischt werden können, ist das Geschwindigkeitsprofil des Reaktantengemisches oftmals noch immer nicht einheitlich. Ein solches nicht einheitliches Geschwindigkeitsprofil kann zu einer instabilen Reaktion führen. Beispielsweise können Hochgeschwindigkeitsgasgemische gegenüber nur einem Teil des Katalysators zu einer Verringerung der Selektivität führen. Ist die Oxidationsreaktion eine, die nahe ihrer Entflammbarkeitsgrenze durchgeführt wird, wie bei der katalytischen oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen, können langsame Gasgemische gegenüber nur einem Teil des Katalysators zu Flammrückschlägen führen.

Überdies wird die durch die Oxidationsreaktion erzeugte Wärme nicht gleichmäßig verteilt, wodurch die Effizienz des Oxidationsverfahrens verringert wird und zum möglichen Verlust des Produktes führt.

Wir haben nun herausgefunden, daß die obigen Nachteile verringert werden, indem die Reaktanten (Kohlenwasserstoff und ein Sauerstoff-enthaltendes Gas) durch einen Wärmetauscher vor dem Kontakt der Reaktanten mit dem Katalysator geführt werden.

Folglich stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren für die Oxidation eines Kohlenwasserstoffes bereit, wobei das Verfahren:

das teilweise Oxidieren eines Gemisches, umfassend einen Kohlenwasserstoff und ein Sauerstoffenthaltendes Gas, in Gegenwart eines Katalysators, mit dem die Oxidation des Kohlenwasserstoffs gefördert werden kann, in einer Reaktionszone umfaßt, wobei vor der teilweisen Oxidation das Gemisch, das den Kohlenwasserstoff und das Sauerstoff-enthaltende Gas umfaßt, durch einen Wärmetauscher geführt wird.

Der Wärmetauscher, der in dem vorliegenden Verfahren eingesetzt wird, stellt einen Druckabfall bereit, der dazu dient, das Geschwindigkeitsprofil des Reaktantengemisches auszugleichen. Dies stellt sicher, daß die Reaktanten im wesentlichen einheitlich über den Katalysator fließen, was die Wirksamkeit der Oxidationsreaktion verbessert.

Geeignete Wärmetauscher umfassen Rohrbündel- oder Wirbelzellenwärmetauscher, sind aber nicht darauf beschränkt. Das Geschwindigkeitsprofil des Reaktantengemisches wird im allgemeinen von dem Abstand der benachbarten Gasaustrittsöffnungen des Wärmetauschers abhängen. Daher kann ein verbessertes Reaktantengemisch-Geschwindigkeitsprofil durch Minimieren des Abstandes zwischen den benachbarten Gasaustrittsöffnungen erreicht werden. Geeigneterweise können die benachbarten Gasaustrittsöffnungen mehrere Millimeter voneinander weg sein, beispielsweise in dem Bereich von 1 bis 10 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm, insbesondere 2 bis 5 mm.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Wärmetauscher ein Kompaktwärmetauscher. Die Kompaktwärmetauscher umfassen im allgemeinen eine Vielzahl von Kanälen, die sicherstellen, daß sich das Fluid (Gas oder Flüssigkeit), das in die Kanäle eindringt, zu einem im wesentlichen einheitlichen Geschwindigkeitsprofil innerhalb eines relativ kurzen Abstandes von den Kanalaustrittsöffnungen vollständig entwickelt. Vorzugsweise entwickelt sich das Fluid vollständig zu einem im wesentlichen einheitlichen Geschwindigkeitsprofil innerhalb eines Abstandes von weniger als 100 mm von dem Austreten aus den Kanalaustrittsöffnungen. Stärker bevorzugt kann ein im wesentlichen einheitliches Geschwindigkeitsprofil innerhalb eines Abstandes von weniger als 60 mm, noch stärker bevorzugt weniger als 40 mm und am stärksten bevorzugt weniger als 25 mm und insbesondere weniger als 15 mm von dem Austreten aus den Kanalaustrittsöffnungen erreicht werden.

Der Kompaktwärmetauscher kann durch Diffusionsverbinden von einer Vielzahl von Metallplatten miteinander unter Bildung eines Stapels hergestellt werden. Rillen können in die Oberfläche jeder Platte geätzt oder anderweitig gebildet werden, so daß die resultierende Struktur eine Vielzahl von Kanälen definiert. Vorzugsweise sind die Kanäle des Kompaktwärmetauschers parallel zueinander. Die Kanäle können von jeglicher Form sein, wie linear oder z-förmig. Der Querschnitt jedes Kanals kann in jeder geeigneten Form vorliegen. Vorzugsweise hat jeder Kanal dieselbe Form. Vorzugsweise ist jeder Kanal halbkreisförmig. Wo die Kanäle halbkreisförmig sind, kann der Radius jedes Kanals 0,1 bis 2,5 mm, bevorzugt 0,25 bis 1,5 mm und am stärksten bevorzugt 0,5 bis 1 mm messen.

Der Kompaktwärmetauscher kann in jeglicher geeigneter Form im Querschnitt vorliegen, beispielsweise kreisförmig, rechtwinklig oder quadratisch. Vorzugsweise hat der Kompaktwärmetauscher einen quadratischen Querschnitt. Wo ein Kompaktwärmetauscher mit einem quadratischen Querschnitt eingesetzt wird, kann jede Seite des Quadrats in dem Bereich von 100 bis 3000 mm, bevorzugt in dem Bereich von 400 bis 2000 mm, stärker bevorzugt in dem Bereich von 1200 bis 1800 mm liegen. Wo dementsprechend ein kreisförmiger Kompaktwärmetauscher eingesetzt wird, kann der Durchmesser des Austauschers in dem Bereich von 100 bis 3000 mm, bevorzugt in dem Bereich von 400 bis 2000 mm, stärker bevorzugt in dem Bereich von 1200 bis 1800 mm liegen.

Das Reaktantengemisch kann vorerwärmt werden, und wird bevorzugt vor dem Eintritt in die Reaktionszone vorerwärmt. Im allgemeinen wird das Reaktantengemisch auf Temperaturen unter der Selbstentzündungstemperatur des Reaktantengemisches vorerwärmt. Typischerweise werden bei der katalytischen oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen Vorerwärmungstemperaturen von bis zu 200 °C, aber unter der Selbstentzündungstemperatur der Reaktanten eingesetzt. Vorzugsweise erwärmt der Wärmetauscher das Reaktantengemisch auf eine Temperatur von bis zu 30 °C unter der Selbstentzündungstemperatur des Gemisches vor.

Vorteilhafterweise kann die Verwendung des Wärmetauschers die Erwärmung des Reaktantengemisches auf hohe Vorerwärmungstemperaturen erwärmen, wie Temperaturen bei oder über der Selbstentzündungstemperatur des Reaktantengemisches. Die Vorteile der Verwendung von Vorerwärmungstemperaturen über der Selbstentzündungstemperatur des Reaktantengemisches werden in Abhängigkeit des speziellen eingesetzten katalytischen Oxidationsverfahrens variieren. Wo das Verfahren die katalytische oxidative Dehydrierung von Kohlenwasserstoff zur Erzeugung von Olefin ist, ist die Verwendung von hohen Vorerwärmungstemperaturen vorteilhaft, indem weniger Sauerstoffreaktant erforderlich ist, der zu wirtschaftlichen Einsparungen führt. Außerdem kann bei der katalytischen oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoff zur Erzeugung von Olefin die Verwendung von hohen Vorerwärmungstemperaturen zur verbesserten Selektivität zu dem Olefinprodukt führen. Es ist selbstverständlich, daß die Selbstentzündungstemperatur eines Reaktantengemisches vom Druck sowie der Einspeisungszusammensetzung abhängt: sie ist kein absoluter Wert. Typischerweise kann bei der katalytischen oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoff zur Erzeugung von Olefin, wo die Kohlenwasserstoffeinspeisung Ethan bei einem Druck von 2 Atmosphären ist, eine Vorerwärmungstemperatur von bis zu 450 °C verwendet werden.

Es ist selbstverständlich, daß die Verweilzeit des Reaktantengemisches in dem Wärmetauscher von einer Vielzahl von Faktoren, wie der Länge der Wärmetauscherrohre und der Geschwindigkeit des Reaktantengemisches durch den Wärmetauscher, abhängen wird. Wo jedoch das Reaktantengemisch über seine Selbstentzündungstemperatur erwärmt wird, kann vorzeitige Reaktion der Reaktanten auftreten. Um eine solche vorzeitige Reaktion zu vermeiden, sollte der Wärmetauscher bevorzugt eine Verweilzeit des Reaktantengemisches bereitstellen, die weniger als die Zündungsverzögerungszeit für die Temperatur des Reaktantengemisches ist. Typischerweise kann die Verweilzeit in dem Bereich von 10 bis 1000 Millisekunden, bevorzugt 10 bis 100 Millisekunden liegen.

Bei der Verwendung kann der in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Wärmetauscher durch jegliche geeignete Mittel erwärmt werden. Geeigneterweise kann der Wärmetauscher indirekt durch die Wärme erwärmt werden, die durch die teilweise Verbrennung der Reaktanten erzeugt wird. Es kann ebenso möglich sein, die Wärme, die durch die teilweise Oxidationsreaktion erzeugt wurde, durch Erwärmen des Wärmetauschers durch äußere Mittel zu ergänzen. Beispielsweise kann der gesamte oder ein Teil des Wärmetauschers elektrisch erwärmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein heißes Fluid, wie Dampf, durch den Wärmetauscher geführt werden. Bei bestimmten Umständen kann es beispielsweise, um den Flammrückschlag in dem Wärmetauscher zu verhindern, wünschenswert sein, den gesamten oder einen Teil des Wärmetauschers abzukühlen. Dies kann durch Führen eines Kühlmittels, wie Kühlwasser, durch den Austauscher erreicht werden.

Obwohl der Kohlenwasserstoff und das Sauerstoff-enthaltende Gas vor der Einführung in die Reaktionszone vorgemischt werden können, ist der Umfang des Mischens von gasförmigen Reaktanten oftmals noch ungleichmäßig. Dieses ungleichmäßige Mischen der Reaktanten kann zu einer instabilen Reaktion führen.

Vorteilhafterweise kann das verbessere Mischen und/oder verbesserte Geschwindigkeitsprofil der Reaktanten mittels Führen des Reaktantengemisches durch eine Prallwandzone vor Eintritt in den Wärmetauscher erreicht werden.

Daher werden in einem anderen Aspekt der Erfindung der Kohlenwasserstoff und das Sauerstoff enthaltende Gas in mindestens einer Prallwandzone vor dem Führen durch den Wärmetauscher gemischt. Die Prallwandzone wird durch ein Gehäuse definiert, das mindestens ein Prallblech enthält. Unter dem Prallblech ist irgendeine Vorrichtung zu verstehen, die dazu dient, den Fluß der Reaktanten zu korrigieren, wodurch das Mischen und/oder Geschwindigkeitsprofil der Reaktanten verbessert wird.

Das Gehäuse kann jegliche geeignete Form im Querschnitt haben, beispielsweise quadratische, rechtwinklig oder kreisförmig. Ein Gehäuse mit einem quadratischen Querschnitt ist bevorzugt. Am stärksten bevorzugt definiert das Gehäuse eine würfelförmige Prallwandzone. Um das Volumen des Reaktantengemisches in dem Gehäuse zu minimieren, ist es bevorzugt, das Volumen des Prallwandzonengehäuses zu minimieren.

Das Gehäuse kann aus jedem geeigneten Material wie Metall sein.

Geeigneterweise kann das Prallblech fest sein (nicht-perforiert). Bevorzugt hat das Prallblech einen kreisförmigen Querschnitt. Das Prallblech kann jedes geeignete Material wie Metall sein.

Bevorzugt ist das Prallblech im wesentlichen in einem rechten Winkel zu der Fließrichtung des Reaktantengemisches, das in die Prallwandzone eindringt, angeordnet. Diese Orientierung des Blechs beschleunigt das Mischen der Reaktanten. Es ist herausgefunden worden, daß, wo der Winkel des Blechs leicht von der Senkrechten beispielsweise um wenige Grade abweicht, der Umfang des Mischens schlechter ist als der, der erhalten wird, wenn das Blech senkrecht zu dem Fluß der Reaktanten ist.

Bevorzugt ist das Prallblech im wesentlichen mittig entlang der Länge des Gehäuses lokalisiert, so daß der Abstand von der Austrittsöffnung der Mischvorrichtung zu dem Blech ungefähr gleich zu dem Abstand des Bleches zu den Eintrittsöffnungen der Wärmetauscherkanäle ist.

Wo das Prallblech kreisförmig ist und das Gehäuse einen quadratischen Querschnitt hat, liegt das Verhältnis der Länge des Gehäuses zu dem Durchmesser des Prallbleches geeigneterweise in dem Bereich von 4:1 bis 1:1, wie 2:1.

Die Reaktanten aus Kohlenwasserstoff- und Sauerstoff-enthaltendem Gas werden vor der Einführung in die Prallwandzone vorgemischt. Das Vormischen der Reaktanten kann durch jedes geeignete Mittel durchgeführt werden. Geeignete Mischmittel umfassen Vorrichtungen, welche die Reaktanten vor dem Eintritt in die Prallwandzone im wesentlichen mischen können, wie ein oder mehrere Injektoren, beispielsweise Gasinjektoren. Bevorzugte Mischvorrichtungen sind die, die das Mischen von mindestens 80 % der Reaktanten vor dem Eintritt in die Prallwandzone bereitstellen.

Geeigneterweise wird der Kohlenwasserstoff in das Sauerstoff-enthaltende Gas vor dem Eintritt in die Prallwandzone mitgeführt. Bevorzugt wird das Sauerstoff-enthaltende Gas in die Prallwandzone durch einen oder mehrere Gasinjektoren injiziert. Geeigneterweise kann der Gasinjektor in einem Rohr oder anderem Gehäuse lokalisiert sein, so daß der Sauerstoffenthaltende Gasstrom mit einem Kohlenwasserstoffstrom, der in das Rohr oder Gehäuse eintritt, mitgeführt werden kann. Der Injektor kann einen gekrümmten Abschnitt um die Injektordüse haben, um so eine Verengung in dem Rohr bereitzustellen. Der Kohlenwasserstoff wird über dem gekrümmten Abschnitt bei geringerer Geschwindigkeit als der Geschwindigkeit des Sauerstoff-enthaltenden Gases eingespeist. Der Unterschied in den Geschwindigkeiten und die Scherung zwischen dem Sauerstoff-enthaltenden Gas und den Kohlenwasserstoffströmen sorgen dafür, daß der Kohlenwasserstoff in dem Sauerstoff-enthaltenden Gas mitgeführt wird. Bevorzugt beträgt das Verhältnis des Sauerstoff-enthaltenden Gases zu Kohlenwasserstoff 20:1 bis 2:1, stärker bevorzugt 3:1 bis 8:1. Die relativen Geschwindigkeiten der Reaktanten und der Abstand, den sie zum Bewegen vor Erreichen der Prallwandzone haben, sollten sorgfältig berechnet und überwacht werden, um sicher zu stellen, daß die Reaktanten ausreichend dispergiert werden, wenn sie die Austrittsöffnung des Injektors verlassen und in die Prallwandzone eintreten.

Das Reaktantengemisch, das in die Prallwandzone eintritt, trifft auf das Prallblech und wird durch das Prallblech abgelenkt, wodurch der Impuls des Gemisches reduziert wird. Diese Reduktion des Impuls stellt ein einheitlicheres Geschwindigkeits- und Druckprofil des Gemisches vor dem Eintritt in den Wärmetauscher bereit. Die Reduktion des Impuls wird verstärkt, wenn das Prallblech in einer Linie mit der Austrittsöffnung der Mischvorrichtung positioniert ist (wie die Austrittsöffnung einer Injektordüse), das heißt, die Austrittsöffnung der Mischvorrichtung ist im wesentlichen senkrecht zu dem Prallblech angeordnet.

Bevorzugt sind die Dimensionen des Prallblechs so, daß im wesentlichen alle Reaktanten auf das Prallblech stoßen. Das Verhältnis des Durchmessers eines kreisförmigen Prallblechs zu dem Durchmesser der Austrittsöffnung der Mischvorrichtung beträgt bevorzugt 1–5:1, stärker bevorzugt 1–3:1 und am stärksten bevorzugt 2:1.

Eine Vielzahl von Prallwandzonen kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden. Jedes Prallwandzonengehäuse kann mit einer einzelnen Mischvorrichtung oder einer Vielzahl von Mischvorrichtungen, vorzugsweise eine Vielzahl von Mischvorrichtungen beschickt werden. Wo eine Vielzahl von Mischvorrichtungen ein einzelnes Prallwandzonengehäuse beschickt, beträgt das Verhältnis der Prallbleche zu den Mischvorrichtungen bevorzugt 1:1. Jedoch kann ein Prallwandzonengehäuse, das durch eine Vielzahl von Mischvorrichtungen beschickt wird, ein einzelnes Prallblech unterbringen.

Um sicher zu stellen, daß die Fließgeschwindigkeiten der Reaktanten durch die Mischvorrichtungen einheitlich sind, weist die Austrittsöffnung von jeder Mischvorrichtung vorzugsweise im wesentlichen denselben Durchmesser auf.

Alternativ kann die Prallwandzone ein Gehäuse mit einem Prallblech umfassen. In diesem Fall kann das Gemisch aus Kohlenwasserstoff/Sauerstoff-enthaltendem Gas im wesentlichen tangential in das Gehäuse unter Verwendung von einer oder mehreren Mischvorrichtungen eingespeist werden.

Gegebenenfalls kann der Kohlenwasserstoff und/oder das Sauerstoff-enthaltende Gas vorm Einführen in die Prallwandzone vorerwärmt werden. Die Temperatur, auf die die Reaktanten vorerwärmt werden können, wird jedoch durch die Selbstentzündungstemperatur der Einspeisung eingeschränkt.

Wenn das Reaktantengemisch einmal durch die Prallwandzone und den Wärmetauscher geführt wird, wird es mit einem Katalysator kontaktiert, mit dem die Oxidation des Kohlenwasserstoffes gefördert werden kann.

Der Katalysator, der bei der Oxidationsreaktion der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird von dem speziellen Oxidationsverfahren, das eingesetzt werden soll, abhängen. Wo beispielsweise das Oxidationsverfahren die Oxidation von Methan zur Erzeugung von Synthesegas ist, umfassen geeignete Katalysatoren Platin/Rhodium- oder Nickel-basierende Katalysatoren. Geeignete Katalysatoren zur Oxidation von Ethylen zur Erzeugung von Ethylenoxid umfassen Katalysatoren auf Silberbasis. Bei der Oxidation von Ethylen und Essigsäure zur Erzeugung von Vinylacetat umfassen geeignete Katalysatoren Katalysatoren auf Palladiumbasis, wie Palladium/Gold-Katalysatoren. Geeignete Katalysatoren zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid aus der Oxidation von Buten, Butan oder Benzol umfassen Katalysatoren auf Vanadium- und/oder Molybdänbasis. Typischerweise werden bei der Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch die Oxidation von Naphthalin oder o-Xylol Katalysatoren auf Vanadiumbasis eingesetzt. Geeignete Katalysatoren bei der Ammonoxidation von Propan zu Acrylnitril umfassen Katalysatoren auf Bismuthbasis. Diese und andere geeigneten Katalysatoren für die zuvor genannten und anderen Kohlenwasserstoffoxidationsreaktionen sind in der Technik bekannt.

Bevorzugt wird die Oxidationsreaktion in einem Festbettreaktor durchgeführt.

Irgendein geeigneter Kohlenwasserstoff kann eingesetzt werden, beispielsweise C1- bis C6-Kohlenwasserstoffe, wie C1- bis C6-Alkane, oder C2- bis C6-Olefine. Der C1- bis C6-Kohlenwasserstoff kann linear, verzweigt oder cyclisch sein. Aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzol und Naphthalin können ebenso eingesetzt werden.

Irgendein geeignetes Sauerstoff-enthaltendes Gas kann eingesetzt werden, beispielsweise molekularer Sauerstoff oder Luft.

Geeigneterweise ist die Oxidationsreaktion der vorliegenden Erfindung irgendeine Kohlenwasserstoffoxidationsreaktion, die in einem Festbettreaktor durchgeführt werden kann. Geeigneterweise kann die Oxidationsreaktion die Oxidation von Ethylen zu Ethylenoxid, die Oxidation von Ethylen und Essigsäure zu Vinylacetat, die Oxidation von Naphthalin zu Phthalsäureanhydrid, die Oxidation von ortho-Xylol zu Phthalsäureanhydrid, die Ammonoxidation von Propan zu Acrylnitril, die Oxidation von gasförmigen paraffinischen Kohlenwasserstoffen, wie Methan, zu Synthesegas, die Oxidation von C4-Kohlenwasserstoff, wie Butan und/oder Buten zu Maleinsäureanhydrid und die Oxidation von Benzol zu Maleinsäureanhydrid sein.

Die Oxidationsreaktionsbedingungen, wie Temperatur und Druck, werden von der speziellen eingesetzten Oxidationsreaktion abhängen. Geeignete Reaktionsbedingungen sind in der Technik bekannt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur katalytischen oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von Olefinen wie Ethylen bereitgestellt.

Folglich stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Olefins bereit, umfassend:

die teilweise Verbrennung in einer Reaktionszone eines Gemisches aus einem Kohlenwasserstoff und einem Sauerstoff-enthaltenden Gas in Gegenwart eines Katalysators, mit dem die Verbrennung über die brennstoffreiche Grenze der Entflammbarkeit hinaus gefördert werden kann, um das Olefin herzustellen, wobei vor der teilweisen Verbrennung das Gemisch aus dem Kohlenwasserstoff und dem Sauerstoff-enthaltenden Gas durch einen Wärmetauscher geführt wird und wobei der Wärmetauscher einen Druckabfall bereitstellt.

Das Verfahren umfaßt das Kontaktieren eines Kohlenwasserstoffes oder eines Gemisches aus Kohlenwasserstoffen und einem Sauerstoff-enthaltenden Gas mit einem Katalysator unter katalytischen oxidativen Dehydrierungsreaktionsbedingungen, um das Olefin herzustellen.

Der Kohlenwasserstoff kann irgendein Kohlenwasserstoff sein, der zu einem Olefin, bevorzugt ein Mono-olefin, unter den eingesetzten katalytischen oxidativen Dehydrierungsreaktionsbedingungen umgewandelt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann verwendet werden, um sowohl flüssige als auch gasförmige Kohlenwasserstoffe in Olefine umzuwandeln. Geeignete flüssige Kohlenwasserstoffe umfassen Benzin und Gasöle. Vorzugsweise werden jedoch gasförmige Kohlenwasserstoffe, wie Ethan, Propan, Butan und Gemische davon eingesetzt.

Irgendein geeignetes Sauerstoff-enthaltendes Gas kann eingesetzt werden, beispielsweise molekularer Sauerstoff, Luft oder molekularer Sauerstoff, der mit einem nicht-reaktiven Gas, wie Stickstoff, Argon, Kohlendioxid oder Helium, verdünnt wurde.

Irgendein Molverhältnis von Kohlenwasserstoff zu Sauerstoff ist geeignet, vorausgesetzt, daß das gewünschte Olefin in dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Das bevorzugte stöchiometrische Verhältnis von Kohlenwasserstoff zu Sauerstoff beträgt das 5- bis 16fache, bevorzugt 5- bis 13,5fache, bevorzugt 6- bis 10fache des stöchiometrischen Verhältnisses von Kohlenwasserstoff zu Sauerstoff, das für die vollständige Verbrennung des Kohlenwasserstoffs zu Kohlendioxid und Wasser erforderlich ist.

Der Kohlenwasserstoff wird über den Katalysator bei einer stündlichen Gasraumgeschwindigkeit von mehr als 10.000 h–1, bevorzugt über 20.000 h–1 und am stärksten bevorzugt mehr als 100.000 h–1 geführt. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die optimale stündliche Gasraumgeschwindigkeit von dem Druck und der Beschaffenheit der Einspeisungszusammensetzung abhängen wird.

Vorteilhafterweise kann der Kohlenwasserstoff vorerwärmt werden. Die Temperatur, auf die der Kohlenwasserstoff, das Sauerstoff-enthaltende Gas und (gegebenenfalls) das Wasserstoffgemisch vorerwärmt werden kann, ist jedoch durch die Selbstentzündungstemperatur der Einspeisung eingeschränkt.

Bevorzugt wird Wasserstoff mit dem Kohlenwasserstoff und molekularen Sauerstoffenthaltenden Gas in die Reaktionszone coeingespeist. Das Molverhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff kann über jeden betreibbaren Bereich variieren, vorausgesetzt, daß das gewünschte Olefinprodukt hergestellt wird. Geeigneterweise liegt das Molverhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff in dem Bereich von 0,2 bis 4, bevorzugt in dem Bereich von 0,5 bis 3.

In Gegenwart des Katalysators verbrennt Wasserstoff vorzugsweise relativ zu dem Kohlenwasserstoff, wodurch die Olefinselektivität für das gesamte Verfahren erhöht wird.

Außerdem kann die Einspeisung ein Verdünnungsmittel, wie Stickstoff, Kohlenmonoxid und Dampf umfassen.

Die teilweise Verbrennungsreaktion kann geeigneterweise bei einer Katalysatoraustrittstemperatur zwischen 600 °C und 1200 °C, bevorzugt zwischen 850 °C und 1050 °C und am stärksten bevorzugt zwischen 900 °C und 1000 °C durchgeführt werden.

Das katalytische oxidative Dehydrierungsverfahren kann bei Atmosphären- oder Überatmosphärendruck durchgeführt werden. Geeigneterweise kann der Druck in dem Bereich von 0 bis 2 bar, bevorzugt 1,5 bis 2 bar, beispielsweise 1,6 bis 1,8 bar, insbesondere 1,65 bar liegen. Drücke von beispielsweise 2 bis 50 bar können ebenso geeignet sein.

Der Katalysator, der in dem katalytischen oxidativen Dehydrierungsverfahren eingesetzt wird, ist einer, mit dem die Verbrennung über die brennstoffreiche Grenze der Entflammbarkeit hinaus gefördert werden kann. Geeignete Katalysatoren können ein oder mehrere Übergangsmetalle der Gruppe VIII umfassen. Die Übergangsmetalle der Gruppe VIII umfassen Eisen, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin. Bevorzugt ist das Übergangsmetall der Gruppe VIII Rhodium und stärker bevorzugt Platin und Palladium.

Bevorzugt wird das Übergangsmetall der Gruppe VIII in Kombination mit einem Katalysatorpromotor eingesetzt. Der Promotor kann ein Metall der Gruppe IIIA (Aluminium, Gallium, Indium und Thallium), IVA (beispielsweise Germanium, Zinn und Blei) und/oder VA (beispielsweise Arsen und Antimon) sein. Alternativ kann der Promotor ein Übergangsmetall sein, das sich von dem Übergangsmetall der Gruppe VIII unterscheidet.

Bevorzugte Metalle der Gruppe IIIA umfassen Gallium und Indium. Bevorzugte Metalle der Gruppe IVA umfassen Germanium, Zinn und Blei. Bevorzugte Metalle der Gruppe VA umfassen Antimon. Bevorzugte Übergangsmetalle umfassen die der Gruppen IB, IIB, VIB, VIIB und VIIIB des Periodensystems. Beispiele von geeigneten Übergangsmetallen umfassen Chrom, Molybdän, Wolfram, Eisen, Ruthenium, Osmium, Kobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Platin, Kupfer, Silber, Gold, Zink, Cadmium und Quecksilber. Bevorzugte Übergangsmetallpromotoren sind Molybdän, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Platin, Kupfer und Zink.

Geeigneterweise kann der Katalysator Pt/Ga, Pt/In, Pt/Sn, Pt/Ge, Pt/Cu, Pd/Sn, Pd/Ge, Pd/Cu, Pd/Sn, Pd/Ge und Rh/Sn sein. Von diesen sind Pt/Cu und Pt/Sn bevorzugt.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Katalysator Platin und Palladium und ein weiteres Metall, ausgewählt aus der Gruppe IIIA, Gruppe IVA oder den Übergangsmetallreihen des Periodensystems. Geeigneterweise kann der Katalysator Pt/Pd/Cu sein.

Zur Verweidung von Zweifeln können das Übergangsmetall der Gruppe VIII und der Promotor in jeder Form, beispielsweise als das Metall oder in der Form einer Metallverbindung, wie ein Metalloxid vorliegen.

Geeignete katalytische oxidative Dehydrierungskatalysatoren werden ausführlich in EP-A-0 332 289, WO 97/26987, GB 9930598.9 und GB 9930597.1 beschrieben, wobei deren Inhalte hierin durch Verweis aufgenommen werden.

Der Katalysator, der in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, kann trägerlos sein, beispielsweise kann der Katalysator in Form eines Metallgewebes vorliegen.

Bevorzugt wird der Katalysator auf jedem geeigneten Träger getragen. Geeigneterweise ist der Träger ein Metall oder Keramikträger, vorzugsweise ein Keramikträger. Geeignete Keramikträgerumfassen Lithiumaluminiumsilicat (LAS), Aluminiumoxid (&agr;-Al2O3), Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxidtitanat, Niascon und Calciumzirconylphosphat. Der Träger kann beispielsweise mit &ggr;-Al2O3 waschbeschichtet werden.

Der Katalysator kann in Form von Fliesen, bevorzugt mit Abschrägungen eingesetzt werden. Diese Fliesen können benachbart zueinander angeordnet sein, um ein Katalysatorbett mit einer gewünschten Größe zu bilden. Es kann wünschenswert sein, die Fläche zwischen dem Bett und den Reaktorwänden zu versiegeln, um zu vermeiden, daß nicht umgesetzte Reaktanten durch die Lücke zwischen dem Bett und dem Reaktor fließen. Bevorzugt wird ein Aufblähdichtungsmittel, wie Vermiculitbase eingesetzt. Alternativ kann das Dichtungsmittel komprimierte Siliciumdioxid-Fasermatten umfassen.

Wo es möglich ist, wird die Wärme, die durch die teilweise Verbrennung des Kohlenwasserstoffs und Sauerstoff-enthaltenden Gaswasserstoffs erzeugt wird, rückgeführt, um beispielsweise die Reaktanten in dem Wärmetauscher zu erwärmen.

Wo die Krackreaktion bei Überatmosphärendruck durchgeführt wird, können die Reaktionsprodukte beispielsweise mit Wasser gequencht werden, wenn sie aus der Reaktionskammer austreten, um das Stattfinden von weiteren Reaktionen zu vermeiden. Das Quenchen kann für Reaktionen, die bei relativ niedrigem Druck, beispielsweise Drücken von weniger als 5 bar durchgeführt werden, nicht notwendig sein.

Jegliches Koks, das in dem erfindungsgemäßen Verfahren produziert wurde, kann durch mechanische Mittel oder durch Entkohlung entfernt werden. Geeignete Entkohlungsverfahren werden in EP-A-0 709 446 beschrieben.

Die Erfindung wird nun nur mittels eines Beispiels und mit Bezug auf 1 und die folgenden Beispiele dargestellt.

1 stellt in schematischer Form die Vorrichtung dar, die zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist.

Die Vorrichtung (1) ist mit Mitteln zur Zufuhr eines Sauerstoff-enthaltenden Gases (2) und Mitteln zur Zufuhr eines Kohlenwasserstoffs und gegebenenfalls Wasserstoff (3) ausgestattet. In Abhängigkeit des Maßstabes des Verfahrens können einzelne Mittel oder mehrere Mittel für die Zufuhr von Reaktanten vorhanden sein. Die Mittel zur Zufuhr eines Sauerstoffenthaltenden Gases (2) und Mittel zur Zufuhr eines Kohlenwasserstoffs und gegebenenfalls Wasserstoff (3) werden an das Prallwandzonengehäuse geschweißt (4).

Die Vorrichtung (1) umfaßt ebenso ein Prallwandzonengehäuse (4), das mit einem Prallblech (5) ausgestattet ist. Das Prallwandzonengehäuse (4) ist würfelförmig und aus Edelstahl. Das Prallblech (5) ist fest (nicht-perforiert) und aus Monelmetall. Das Verhältnis der Länge des Prallwandzonengehäuses zu dem Durchmesser des Prallblechs beträgt 2:1. Das Prallblech (5) ist im wesentlichen senkrecht zu den/dem Austrittsöffnung(en) der Reaktantenzufuhrmittel und ungefähr mittig entlang der Länge des Prallwandzonengehäuses (4) angeordnet. Das Verhältnis des Durchmessers des Prallblechs zu dem Durchmesser der Austrittsöffnung der Düse des Injektors (8) beträgt 2:1. In Abhängigkeit des Umfangs des Verfahrens kann die Prallwandzone entweder eine einzelne Prallwandzone oder mehrere Prallwandzonen umfassen. Jede Prallwandzone kann ein einzelnes oder mehrere Prallbleche umfassen.

Das Prallwandzonengehäuse (4) wird an einen Wärmetauscher (6) geschraubt.

Die Vorrichtung (1) umfaßt außerdem einen Kompaktwärmetauscher (6) mit quadratischem Querschnitt und mit im wesentlichen z-förmigen Kanälen mit halbkreisförmigem Querschnitt und einem Radius von 1 mm. Der Wärmetauscher (6) wird an den Reaktor (7) geschraubt. Geeignete Kompaktwärmetauscher werden von Heatric Limited hergestellt.

Die Vorrichtung (1) umfaßt ebenso einen Reaktor (7). Die Querschnittsform des Reaktors ist quadratisch, um so im wesentlichen der Querschnittsform des Wärmetauschers (6) zu entsprechen. Um die Wärmeverluste zu minimieren, wird der Reaktor sowohl innen als auch außen isoliert.

Bei der Verwendung ist der Reaktor (7) mit mindestens einem Katalysator ausgestattet, mit dem die Verbrennung über die brennstoffreiche Grenze der Entflammbarkeit hinaus gefördert werden kann. Geeigneterweise ist der Katalysator ein Trägerkatalysator. Der Katalysator wird unter einem Aluminiumoxidwärmeschild (nicht gezeigt) angeordnet. Ein Sauerstoffenthaltendes Gas wird in die Vorrichtung (1) aus einer Zufuhr (2) geeigneterweise über einen Gasinjektor (8) eingespeist. Ein gasförmiges Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial, das Ethan und gegebenenfalls Wasserstoff umfaßt, wird in die Vorrichtung (1) aus Zufuhr (3) geeigneterweise über einen Gasinjektor (8) eingespeist. Das Verhältnis der Geschwindigkeit des Sauerstoffenthaltenden Gases zu der Geschwindigkeit der Kohlenwasserstoffeinspeisung beträgt 5:1. Das Sauerstoff-enthaltende Gas, der Kohlenwasserstoff und gegebenenfalls Wasserstoff mischen sich in dem Injektor (8) unter Bildung eines Reaktantengemisches vor dem Austreten aus der Austrittsöffnung des Injektors (8) in die Prallwandzone (4). Beim Eintreten in die Prallwandzone (4) trifft das Reaktantengemisch auf das Prallblech (5) und wird in die Kanäle des Kompaktwärmetauschers (6) abgelenkt. Der Kompaktwärmetauscher (6) wird durch Dampf erhitzt. Beim Führen durch die Kanäle des Kompaktwärmetauschers (6) wird das Reaktantengemisch auf die erforderliche Temperatur vorerwärmt. Beim Austreten aus den Kanälen des Kompaktwärmetauschers (6) strömt das Reaktantengemisch in den Reaktor (7), worauf er den Katalysator kontaktiert. In dem Reaktor (7) verbrennt mindestens ein Teil der Kohlenwasserstoffeinspeisung unter Produktion von Wasser und Kohlenoxiden. Die Wasserstoffcoeinspeisung, wenn vorhanden, verbrennt unter Produktion von Wasser. Beide dieser Verbrennungsreaktionen sind exotherm und die dadurch erzeugte Wärme wird verwendet, um die Dehydrierung von Kohlenwasserstoff zu Olefinprodukt anzutreiben.

Allgemeines katalytisches oxidatives Ethan-Dehydrierungsreaktionsverfahren

Typischerweise wurde ein Platin-Kupfer-Katalysator, umfassend Nennladungen von 3 Gew.-% Platin und 1 Gew.-% Kupfer, auf 99,5 % Aluminiumoxidschaum getragen (mit Porosität von 45 Poren pro Inch) (Vesuvius Hi-Tech Ceramics Inc), um ein Katalysatorbett bereitzustellen, das hinsichtlich der Größe eine Tiefe von 60 mm und ein Volumen von 1008 cm3 hat, damit es der Querschnittsfläche des Wärmetauschers entspricht. Der Trägerkatalysator wurde dann in einen Festbettreaktor geladen. Ein Aluminiumoxidwärmeschild wurde über dem Katalysator positioniert. Der Katalysator wurde unter Stickstoff auf 200 °C erwärmt. Ein Stickstofffluß wurde direkt über dem Katalysator gehalten, um eine nicht-entflammbare Atmosphäre sicherzustellen, bis die Reaktion auf dem Katalysator erreicht war.

Flüsse aus Ethan, Wasserstoff und Sauerstoff wurden dann in eine Vorrichtung, wie für 1 beschrieben, eingeführt. Die Flüsse aus Ethan, Wasserstoff und Sauerstoff wurden allmählich über einen Zeitraum von 1 Stunde erhöht, um eine Gasgeschwindigkeit an der Aufwärtskatalysatorseite von 4,35 m/s bei der Einspeisungstemperatur mit den folgenden Einspeisungsmasseverhältnissen von Sauerstoff:Ethan:Sauerstoff 1,84 und Wasserstoff:Sauerstoff 0,12 bereitzustellen. Während dieses Zeitraums stieg die Katalysatoraustrittstemperatur stetig und stabilisierte sich dann bei 850 °C.

Nach dem Äquilibrierungszeitraum von 1 Stunde wurde der Stickstofffluß auf 0 kg/h über einem Zeitraum von 2 Stunden reduziert. Die Ethan-, Wasserstoff- und Sauerstoffflüsse wurden eingestellt, um die Zielflüsse zu erreichen.

Das Reaktantengemisch wurde auf die erforderliche Vorerwärmungstemperatur durch den Kompaktwärmetauscher erwärmt.

Die katalytische oxidative Dehydrierungsreaktion wurde bei einem Druck von 1,8 bar durchgeführt.

Die Produktzusammensetzung wurde durch Gaschromatographie analysiert. Die Einspeisungs- und Produktfließgeschwindigkeiten wurden durch Durchflußmesser vom Coriolis-Typ bestimmt.

Aus der Analyse der Einspeisungs- und Produktfließgeschwindigkeiten und Zusammensetzungen wurden die Ethanumwandlung und Selektivität für Ethylen berechnet.

Das Geschwindigkeitsprofil und der Mischgrad der Reaktanten können durch Techniken bestimmt werden, wie Computer-Hydrodynamikmodellierung (CFD-Modellierung) und physikalische Fließmodelle. Alternativ und/oder zusätzlich können Thermoelemente unter dem Katalysator lokalisiert sein, um die einheitliche Reaktion über dem Katalysator zu bestätigen. Die einheitliche Reaktion wird erhalten, wenn das Geschwindigkeitsprofil und das Ausmaß des Mischens des Reaktantengemisches, das in den Katalysator eingespeist wird, einheitlich ist.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wurden Ethan, Sauerstoff und Wasserstoff als Einspeisung in dem allgemeinen obigen Reaktionsverfahren verwendet. Das Reaktantengemisch wurde auf eine Temperatur unter der Selbstentzündungstemperatur des Gemisches vorerwärmt. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 nachstehend gezeigt.

Beispiel 2

Die Daten in diesem Beispiel wurden durch thermochemische Analyse der Daten in Beispiel 1 erhalten. Die Vorerwärmungstemperatur des Reaktantengemisches wurde bei einer Temperatur über seiner Selbstentzündungstemperatur eingestellt. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 nachstehend gezeigt.

Tabelle 1

Es wird erwartet und angenommen, daß in Abwesenheit des Wärmetauschers und/oder der Prallwandzone die Umwandlung von Ethan und/oder die Selektivität für Ethylen in bezug auf die oben erhaltenen Ergebnisse schlechter sein würden.

Beispiel 2 zeigt, daß die Verwendung einer Vorerwärmungstemperatur über der Selbstentzündungstemperatur des Reaktantengemisches zur verbesserten Selektivität für das Olefinprodukt und zu einer Reduktion der Sauerstoffverwendung im Vergleich zu der Verwendung einer Vorerwärmungstemperatur unter der Selbstentzündungstemperatur des Reaktantengemisches (Beispiel 1) führt.

Beispiel 3

Unter Verwendung der Vorrichtung, wie in 1 beschrieben, wurde die Verteilung von Sauerstoff in einem Sauerstoff/Ethangasgemisch (Verhältnis von Sauerstoff zu Ethan, 1:2,4), das in die Prallwandzone (4) durch den Injektor (8) eingespeist, durch die Prallwandzone (4) und in den Kompaktwärmetauscher (6) geführt wird, durch 3D-CFD-Modellierung unter Verwendung der FluentTM-Software analysiert. In diesem Beispiel wurde das Prallblech (5) senkrecht, d. h. bei 90° zu dem Sauerstoff/Ethangasfluß angeordnet.

Die CFD-Modellierungsergebnisse zeigen, daß sich der Sauerstoff und Ethan teilweise in dem Injektor (8) vor dem Eintritt in die Prallwandzone (4) mischen. Nach Ablenkung durch das Prallblech (5) scheinen die Sauerstoff- und Ethangase im wesentlichen gemischt (ungefähr 99 % gemischt).

Es wurde kein weiteres Mischen der Gase nach dem Austritt aus der Prallwandzone (4) beobachtet.

Beispiel 4

Beispiel 3 wurde wiederholt, außer daß das Prallblech (5) bei einem Winkel zu dem Sauerstoff/Kohlenwasserstoffgasfluß von 2,6° plaziert wurde.

Die CFD-Modellierungsergebnisse zeigen, daß das Mischen der Sauerstoff- und Ethangase nach der Ablenkung durch das Prallblech (5) nicht so gut (ungefähr 96 % gemischt) wie das war, das in Beispiel 4 erhalten wurde (wo das Prallblech senkrecht zum Gasfluß war).

Beispiele 3 und 4 zeigen deutlich, daß das Mischen des Sauerstoffs und Ethans an dem Prallblech nicht vollständig war. Daher würde es in Abwesenheit einer Prallwandzone einen Bereich an Ethan/Sauerstoffgasgemischen geben, die den Katalysator kontaktieren, was zu einem weniger effizienten autothermen Krackverfahren führt.

Die CFD-Modellierung zeigt ebenso, daß in beiden Beispielen 3 und 4 der Impuls des injizierten Reaktantengemisches durch das Prallblech (5) reduziert wurde, was in jedem Fall zu einem verbesserten, d. h. einheitlicheren Geschwindigkeitsprofil des Reaktantengemisches vor dem Eintritt in den Wärmetauscher (6) führt.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Olefins, wobei das Verfahren die teilweise Verbrennung in einer Reaktionszone eines Gemisches aus einem Kohlenwasserstoff und einem Sauerstoffenthaltenden Gas in Gegenwart eines Katalysators umfaßt, mit dem die Verbrennung über die brennstoffreiche Grenze der Entflammbarkeit hinaus gefördert werden kann, um das Olefin herzustellen, wobei vor der teilweisen Verbrennung das Gemisch aus dem Kohlenwasserstoff und dem Sauerstoff-enthaltenden Gas durch einen Wärmetauscher geführt wird und wobei der Wärmetauscher einen Druckabfall bereitstellt. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher Gasaustrittsöffnungen hat und der Abstand zwischen den benachbarten Gausaustrittsöffnungen in dem Bereich von 1 bis 10 mm liegt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmetauscher eine Verweilzeit in dem Bereich von 10 bis 1000 ms bereitstellt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher ein Kompaktwärmetauscher ist. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die sich das Fluid, das aus den Kanalaustrittsöffnungen des Kompaktwärmetauschers austritt, zu einem im wesentlichen einheitlichen Geschwindigkeitsprofil innerhalb eines Abstandes von weniger als 100 nun von den Kanalaustrittsöffnungen entwickelt. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein im wesentlichen einheitliches Geschwindigkeitsprofil innerhalb eines Abstandes von weniger als 25 mm von den Kanalaustrittsöffnungen erreicht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Kompaktwärmetauscher einen quadratischen Querschnitt hat. Verfahren nach Anspruch 7, wobei jede Seite des Quadrats in dem Bereich von 100 bis 3000 mm liegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wärmetauscher das Gemisch aus Kohlenwasserstoff und Sauerstoff-enthaltendem Gas auf eine Temperatur unter der Selbstentzündungstemperatur des Gemisches vorerwärmt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wärmetauscher das Gemisch aus Kohlenwasserstoff und Sauerstoff-enthaltendem Gas auf eine Temperatur bei oder über der Selbstentzündungstemperatur des Gemisches vorerwärmt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Kohlenwasserstoff und das Sauerstoffenthaltende Gas in mindestens einer Prallwandzone gemischt werden, bevor sie durch den Wärmetauscher geführt werden. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Prallwandzone ein Gehäuse umfaßt und mindestens ein Prallblech in dem Gehäuse enthalten ist. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Prallblech einen kreisförmigen Querschnitt hat. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei das Prallblech im wesentlichen senkrecht zu der Fließrichtung des Gemisches aus Kohlenwasserstoff und Sauerstoffenthaltendem Gas angeordnet ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Prallblech im wesentlichen mittig entlang der Länge des Gehäuses lokalisiert ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Gehäuse eine würfelförmige Prallwandzone definiert. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Prallblech einen kreisförmigen Querschnitt hat und das Verhältnis der Länge des Gehäuses zu dem Durchmesser des Prallbleches in dem Bereich von 4:1 bis 1:1 liegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei das Gemisch aus Kohlenwasserstoff und Sauerstoff-enthaltendem Gas in mindestens einer Mischvorrichtung vor dem Eintritt in die Prallwandzone vorgemischt wird. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Prallwandzone ein kreisförmiges Prallblech umfaßt und das Verhältnis des Durchmessers des Prallblechs zu dem Durchmesser der Austrittsöffnung der Mischvorrichtung 1–5:1 beträgt. Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, wobei eine Vielzahl von Mischvorrichtungen ein einzelnes Prallwandzonengehäuse beschickt, das eine Vielzahl von Prallblechen umfaßt. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Verhältnis von Prallblechen zu Mischvorrichtungen 1:1 beträgt. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Prallwandzone ein Gehäuse mit einem Prallblech umfaßt, in die das Kohlenwasserstoff/Sauerstoff-enthaltende Gas-Gemisch im wesentlichen tangential unter Verwendung von einer oder mehreren Mischvorrichtungen eingespeist wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei der Katalysator eine oder mehrere Übergangsmetalle der Gruppe VIII umfaßt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das stöchiometrische Verhältnis von Kohlenwasserstoff zu Sauerstoff 5 zu 16 beträgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die teilweise Verbrennung in Gegenwart von Wasserstoff durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei die teilweise Verbrennung bei einer Katalysatoraustrittstemperatur in dem Bereich von 600 °C bis 1200 °C durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei die teilweise Verbrennung bei einem Druck in dem Bereich von 0 bis 2 bar durchgeführt wird.






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