监视、控制和/或调节流体反应混合物在使用热片金属板的反应器中的反应的方法

摘要

本发明涉及一种监视、控制和/或调节流体反应混合物在非均相粒状催化剂的存在下在使用两个或更多个竖直金属热板(1)的反应器中的反应的方法，所述热板相互平行且被各缝隙(2)间隔。缝隙(2)中具有非均相粒状催化剂且流体反应混合物流动通过缝隙(2)。本发明特征在于调节信号是温度，其在一个或多个缝隙(2)，在沿着各缝隙(2)高度分布的两个或更多个测量点测量。

说明书

本发明涉及一种监视、控制和/或调节流体反应混合物在具有热板的反应器中的反应的方法，还涉及一种实施该方法的设备。

在化学工艺技术中，已知许多在非均相粒状催化剂存在下进行的反应，尤其是流体(即气体、液体或气体/液体)反应混合物的部分氧化反应。此类反应通常放热，常常强烈放热。迄今为止，这些反应在工业规模上主要在具有催化剂管的管束反应器中进行，非均相粒状催化剂引入催化剂管中并使流体反应混合物通过催化剂管，且释放的反应热经由在催化剂管之间的中间空间循环的热载体间接除去。所用热载体通常为盐熔体。

或者，还可经由流动通过板型传热器的热载体除去反应热。术语换热板、传热板和热板基本同义地表示板型传热器。

传热板主要定义为如下片状结构体，其具有装有入口和出口管线且具有与表面积相比较薄的厚度的内部。这些传热板一般由金属片制成，通常由钢片制成。然而取决于应用情况，特别是取决于反应介质和热载体的性质，可使用特定的，特别是耐腐蚀或涂覆的材料。用于热载体的入口和出口装置通常设置在换热板的相反两端。所用热载体通常为水，或为Diphyl^(70-75重量％的二苯醚和25-30重量％的联苯的混合物)，热载体有时还在煮沸操作中蒸发；还可使用具有低蒸气压的其它有机热载体以及离子液体。

离子液体作为热载体的应用描述在德国专利申请DE-A 103 16 418中。优选含有硫酸根、磷酸根、硼酸根或硅酸根阴离子的离子液体。还特别合适的是含有单价金属阳离子，特别是碱金属阳离子，以及其它阳离子，尤其是咪唑盐阳离子的离子液体。还有利的是含有咪唑盐阳离子、吡啶盐阳离子或阳离子作为阳离子的离子液体。

术语热板特别用于如下传热板，其单个，通常两个金属片通过点焊和/或热轧焊连接在一起并通常使用液压塑性成形而形成槽。

在本发明上下文内，术语换热板、传热板和热板以上述定义使用。

使用热板进行部分氧化的反应器例如由DE-A 199 52 964已知。其中描述了用于进行部分氧化的催化剂在反应器的传热板周围床上的设置。反应混合物在反应器一端供入反应器内部传热板之间并在相反一端取出，由此流动通过了传热板之间的中间空间。

DE-C 197 54 185描述了另一种经由流动通过传热板的冷却介质间接除热的反应器，传热板设计为由至少两个在预定点连接在一起而形成流动通道的钢板组成的热板。

DE-A 198 48 208中描述了其有利的改进，构造为冷却介质流动通过其中的热板的传热板合并成具有例如长方形或正方形横截面的板组件，并且该板组件具有外壳。包住的板组件不需要配合于圆周侧面，并因此以相对于圆柱形反应容器内壁的预定空间使用。传热板或其外壳与容器内壁之间的自由表面在外壳的上部区域和下部区域用导向隔板覆盖，从而防止反应介质绕过填充有催化剂的室。

WO-A 01/85331描述了另一种具有除去反应热的传热板形式的装置的反应器。大体上为圆柱形的反应器具有连续催化剂床，其中嵌有传热板。

DE-A 103 33 866公开了通过提供一种用于在非均相粒状催化剂存在下的流体反应混合物的部分氧化的具有如下设置的反应器而避免了在反应混合物和外部环境之间压差过高的情况下，由于热板的一侧应力高而产生的变形所引起的问题；避免了当反应混合物在高压或低压力下时可能出现的高热应力下的再成形而产生的机械稳定性问题，所述反应器具有：

-一个或多个立方形热板组件，各组件由两个或更多个相互平行排列的长方形热板形成，同时在每种情况下热板间留有可填充非均相粒状催化剂且流体反应混合物流动通过其中的缝隙，反应热被流动通过热板并由此至少部分蒸发的热载体吸收，所述组件具有：

-大体上圆柱形的外壳，其释放热板组件的压力、完全包围热板组件，其包括圆柱形外套和封闭外套两端的罩，并且其纵轴与热板的平面平行，以及所述组件还具有：

-一个或多个密封元件，其设置方式应使得流体反应混合物除了流动通过由罩限定的反应器内部空间外，仅仅流动通过缝隙。

因此，本发明的目的是提供一种用于监视、控制和/或调节在如下反应器中进行的流体反应混合物的反应的方法，所述反应器具有设置于其中的热板，非均相粒状催化剂放置在热板之间的缝隙中且反应介质流动通过催化剂，且热载体流动通过热板。

因此，已经发现了一种用于监视、控制和/或调节流体反应混合物在非均相粒状催化剂的存在下在具有两个或更多个热板的反应器中的反应的方法，所述热板竖直排列并且相互平行，同时在每种情况下留有缝隙，非均相粒状催化剂安装在缝隙中且流体反应混合物流动通过缝隙，该方法包括选择在一个或多个缝隙中，在沿各缝隙高度分布的一个或多个测量点测量的一个或多个温度作为监视、控制和/或调节参数。

根据本发明，所选监视、控制和/或调节参数为在一个或多个缝隙中，在沿各缝隙高度分布的一个或多个测量点测量的一个或多个温度。

优选额外选择在一个或多个缝隙中的流体反应混合物的组成作为另一监视、控制和/或调节参数，其在沿着各缝隙高度分布的一个或多个测量点测量。

为了确定反应器的操作条件，对催化剂床中的温度区域的认知非常重要。这涉及温度的局部分布以及例如温度最大值(热点)的量级和位置。沿着反应介质流动路径的温度分布可能对控制和调节反应体系也是重要的。

除了稳态操作外，还必须控制启动或关闭，或者控制例如甚至在长时间内随时间变化的操作边界条件，例如催化剂活性的变化(钝化)。基于测定的温度，例如可以确保安全操作，还可以控制并保持在每种情况下优选的最佳操作状态。可以得出例如关于反应物组成和反应物流速以及冷却温度和冷却介质通过量的最有利的操作模式。此外，额外的催化剂床中的浓度测定能够监视反应的物质分布，并例如还可以在操作条件下确定反应动力学。例如，催化剂的钝化行为还可参考流动通过期间的浓度分布来表征，尤其是同时参考温度分布一起表征，这还可以通过适应反应物装料和工艺流速而用于有利地控制反应，形成较少的副产物，或者用于改进催化剂和反应器设计。

本发明人已经认识到，可以测定引入到两个热板间的缝隙中的粒状催化剂沿着热板高度的温度分布，即沿着流动路径的温度分布，以及测定沿着催化剂高度的浓度分布，即沿着流动路径的浓度分布，而不由测定操作本身干扰反应。

对于可通过本发明方法监视、控制和/或调节的在非均相粒状催化剂存在下进行的流体反应混合物的化学反应，原则上没有任何限制。反应优选是气态反应混合物的反应，尤其是氧化或部分氧化反应。

具有热板的反应器如上所述。

热板优选由耐腐蚀材料制成，尤其由不锈钢或其它合金钢制成，例如材料编号为1.4541或1.4404、1.4571或1.4406、1.4539或1.4547和1.4301的不锈钢。

用于此目的的金属片的材料厚度可为1-4毫米、1.5-3毫米、2-2.5毫米或2.5毫米。

通常将两个长方形金属片在其纵向和端侧连接以形成热板，在该情况下可为热轧焊连接或侧焊连接或二者的组合，由此在所有侧面将随后放置热载体的空间密封。有利地在纵向边缘的侧热轧焊缝处或甚至焊缝中切除热板的边缘，以使不良冷却(若冷却的话)且通常已经安装了催化剂的边缘区域具有非常低的几何膨胀。

金属片通过分布在长方形表面上的点焊连接在一起。也可以至少部分通过直的热轧焊缝或弯曲热轧焊缝以及圆形热轧焊缝连接。对于热载体流动通过的空间，还可通过额外的热轧焊缝分割成多个分隔区域。

热板上的焊点排列的一种可能性是以30-80毫米，或者以35-70毫米的等距点间距成行排列，也可以是40-60毫米的间距，另一实施方案的间距为45-50毫米，还可以是46-48毫米。通常由于加工的原因，点间距可相差至多±1毫米，并且从板的纵向来看，直接相邻行的焊点各自偏移半个焊点间距。板纵向上的焊点的各行可为5-50毫米或8-25毫米间距的等距，还可使用10-20毫米以及12-14毫米的间距。此外，还可使用成对的适于应用情况的焊点间距和行间距。行间距与点间距可为限定的几何关系，通常为点间距的1/4或更低，从而在生产过程中出现所限定的热板均匀膨胀。对于预定的焊点间距和行间距，单位板表面积上的限定焊点数是特定的；每平方米板表面积上的可能数值为200-3000个焊点，通常为1400-2600个焊点。有利地，在5倍焊点间距×5倍行间距的长方形表面积上具有20-35个焊点。

热板的宽度基本上受到制造技术因素的限制，可为100-2500毫米，或500-1500毫米。热板的长度取决于反应，特别是取决于反应的温度分布，可为500-7000毫米，或3000-4000毫米。

在每种情况下两个或更多个热板平行排列并相互分开，形成热板组件。这在直接相邻的板间形成杆状缝隙，其在板间距的最窄部分具有8-150毫米或10-100毫米的宽度。一个可能的实施方案是宽度也为12-50毫米或14-25毫米，还可选择16-20毫米的宽度。还测试了17毫米的缝隙间距。

在热板组件的单个热板之间，例如在大表面积板的情况下，还可另外安装隔片以防止可能改变板间距或位置的变形。为了安装这些隔片，可例如通过圆形热轧焊缝或更大直径的焊点从热载体的流动区域取下金属板断片，以例如可以将断片中央的孔引入板中用于棒状隔片，隔片可通过螺栓或焊接固定。

各个板之间的缝隙可具有相同间距，然而若需要的话，当反应允许或所需反应需要时，或可实现设备或冷却技术的优点时，缝隙还可具有不同宽度。

填充有催化剂颗粒的热板组件的缝隙可以相互密封，例如通过焊接密封，或者可以在加工侧连接在一起。

当将各个热板连接在一起形成组件时，为了调节所需的缝隙间距，将板固定就位并具有一定间距。

直接相邻的热板的焊点可以相互相对或相互偏移。

本发明还提供了一种用于实施上述方法的设备，特征在于具有如下套管：设置于两个热板之间的缝隙中，优选在纵向设置，在反应器外部敞开且其包封有温度测量插入物，例如一个或多个具有一个或多个测量点的热电偶。

热板优选设置成：

-一个或多个立方形热板组件，其各自由两个或更多个相互平行排列的长方形热板形成，同时在每种情况下热板间留有缝隙，

-热板组件完全被释放压力、大体上为圆柱形的外壳包围，所述外壳包括圆柱形外套和封闭外套两端的罩，其纵轴与热板的平面平行，

-一个或多个密封元件以使流体反应混合物除了流动通过由罩限定的反应器内部外，仅仅流动通过缝隙的方式设置，和

-具有一个或多个相互独立的温度测量插入物的各热板组件优选装有两个或三个，更优选三个温度测量插入物。

由于各热板组件在每种情况下装有至少一个独立的温度测量插入物，各个热板组件可单独评价或监视。有利的是，对每个热板组件提供超过一个温度测量插入物，从而在一个温度测量插入物失效时仍然能够保证安全操作。当在每种情况下每个热板组件使用三个温度测量插入物时，在温度测量插入物的测试、维护或失效时，尤其是当温度信号功能性地用于保护回路中时，可以保持安全操作。

套管优选为金属管，尤其是外径为4-15毫米，特别是6-10毫米，通常是6-8毫米的金属管，并进一步优选壁厚为0.8-1.5毫米，优选1毫米的金属管。可用于套管的材料原则上与可用于热板的材料相同，但套管和热板不必由相同材料制成。非铁材料也可用于套管。

根据现有技术，在管束反应器的情况下，当将温度测量套管或温度测量插入物插入催化剂床中时，必须使用特别制造的具有增加的内径的管以使这些管中的反应分布与其它正常的反应管相当，从而能够进行典型温度测量。

尽管如DE-A 101 10 847所述，与没有安装套管的反应管相比，用于容纳测量元件的套管在反应管纵轴中央的常规排列导致流动分布和温度分布高度失真，并因此要求特定构造的反应管、催化剂装料和套管，例如在其横截面具有不同壁厚度，或要求套管在催化剂管中的特殊设置，现已意外地发现，具有热板的反应器不必须要求在热板之间的缝隙中具有这种特定的设置以测定催化剂床中的温度分布。

仅需要在缝隙中设置温度测量插入物本身或包封有温度测量插入物的套管，优选在两个热板之间纵向设置。

温度测量插入物或套管与两个热板的距离在每种情况下优选可相同，即在一个实施方案中，温度测量插入物设置在缝隙的中央。

为将套管引入热板之间的缝隙中，特别有利的是热板各自具有相同的焊点模式并且相邻热板的焊点互相相对。

套管可在反应器之上和之下在其外部敞开。在优选的实施方案中，套管可以在反应器之上和之下同时敞开。在这种情况下，温度测量插入物可在套管内连续移动，由此可连续说明温度分布，而不仅仅得到离散的温度测量值。为此，可使用单个测量元件，然而还可有利地使用多重测量元件，特别有利的是具有等距测量间距的多重测量元件，因为连续测定温度分布所需的移动路径仅仅间隔一个测量点。

套管可通过反应器外套无缝导出，或在催化剂加料的热板组件之上的区域具有连接元件，或者在从下部引入的情况下在热板组件以下的区域具有连接元件。在特别有利的方案中，套管在反应器内部具有拆卸点，这种拆卸点特别设计为切口环或压紧环连接，以使装配更加容易。

温度测量插入物通常具有分布在其长度，且由此分布在缝隙高度上的多个测量点。有用的温度测量插入物优选为多重测量插入物(已知为多重电偶)，然而还可使用所有其它方式，尤其是物理的温度测量原理，如铂电阻温度计，如PT-100或PT-1000，还可使用电阻温度计或半导体传感器。取决于使用温度，有用的热电偶为所有描述于DIN43710和DIN EN 60584中的那些，优选根据DIN EN 60584的K型热电偶。

分布的测量点可以等距排列，然而特别有利的是在具有预期温度极值和/或特别大的温度梯度的反应器区以较小间距相互排列，而在其余反应器区以较大间距相互排列。

温度测量插入物有利地具有5-60个测量点，优选具有10-50个测量点，更优选具有15-40个测量点，还更优选具有20-30个测量点。

在优选实施方案中，温度测量插入物具有20个测量点且外径为约3.8毫米，以使温度测量插入物可以安装在外径为6毫米或1/4英寸且内径为4毫米或5/32英寸的套管中。

在另一优选实施方案中，温度测量插入物具有40个测量点且外径为约2.5毫米，以使温度测量插入物可以安装在外径为5毫米或3/16英寸且内径为3毫米或1/8英寸的套管中。

在一个实施方案中，包封有热电偶的套管可以设置在两个热板之间的缝隙的侧边界。为了防止测量失真，此时优选在缝隙侧边界和套管之间提供绝缘元件，从而在床的边缘也可得到典型的温度信号。此时，特别有利的是套管以固定的方式安装在缝隙中，并保持在那里而不必与催化剂装料一起安装和移动。在这种情况下，套管还可设置成非圆柱形几何形状，例如具有正方形或半圆形横截面。

此外，还可将包封有温度测量插入物的套管水平设置在两个热板间的缝隙中。这样能够确定沿缝隙横截面的温度分布。

在本发明设备的另一优选实施方案中，除了上述具有温度测量装置的套管之外，在每种情况下在一个或多个缝隙中设置一个具有孔和至少一个用于进入套管内部的取样管的套管，所述取样管在其中的设置方式应使流体反应混合物流动通过套管中的孔进入取样管的内部，并在到达反应器外部后从取样管中取出并进行分析。

使用的套管通常为金属管，优选外径为5-15毫米、特别是8-10毫米且壁厚优选1毫米的金属管。根据本发明，套管具有孔，即对着反应空间的开口，这些孔的几何形状原则上不受限制。然而优选圆形开口。特别地，还可以是狭缝形，其中狭缝在取样管的纵向上排列。孔总表面积优选为套管外套总表面积的1-50％，优选1-10％。这些孔用于使流体反应混合物流入套管，并由此经由套管的开口进入设置在套管内部的取样管。在反应器外部由取样管取出的样品可例如使用现有的工厂分析仪器分析。同样可以连续或以特定时间间隔取样并分析。

样品的取出可通过反应体系的自生压力经由控制阀或溢流装置进行，或通过泵或压缩机或散热器/喷射器进行，在这种情况下可将样品引入具有大气压力或相对大气压力降低或升高的压力的体系中。优选控制样品被引入其中的分析系统处于恒定压力，以提高测量精度。

在优选实施方案中，有孔套管设置在缝隙中央。在这种设置下，缝隙中流动分布的对称性被干扰的程度特别小。可竖直地自上或自下安装，并且优选从与流体反应混合物进料相同的反应器一侧安装。

在套管从上部安装且流体反应混合物从上部供入反应器的实施方案中，套管有利地仅在缝隙的上部区域，尤其是直到缝隙的约中间位置具有孔。由于取样管仅仅在套管的上部区域延伸至通过开口取样以确定其组成的点，位于其下的套管空闲区域则将构成反应混合物的旁路。这通过仅在缝隙上部区域在套管中提供孔来避免。

类似地，可以从下部安装套管并且将流体反应混合物从下部供入反应器中，并且可以优选使热载体流动通过热板并在反应条件下部分或完全沸腾。

取样管优选可以固定的方式连接于套管，应使取样管的开口直接位于套管的孔上，取样管和套管的开口因此重叠。

在另一优选实施方案中，取样管以旋转方式设置在有孔套管中，并且具有至少两个在其外套表面上偏移设置的开口，偏移方式应使流体反应混合物总是仅通过其中一个开口流入取样管。取样管的开口优选在其纵向设置为狭缝，当套管和取样管的开口相配时能提供更多的机动空间。

该实施方案允许借助单个取样管由沿着缝隙高度分布的多个点取样。

在另一优选方案中，各取样管具有至少2个、优选2-4个相互独立的室，各室具有流体反应混合物通过套管孔流动进入其中的开口，分别由各室取出流体反应混合物并分析。这些室可以相邻或同心排列。

在取样管中形成两个或更多个独立室增加了可以取出流体反应混合物样品的测量点的数目。

特别优选如下实施方案，其中取样管具有多个室，并且还设置为以旋转方式围绕其纵轴。这使得每个室具有两个或更多个，优选四个互相偏移的狭缝以接收待处理的流体反应混合物，在这种情况下，流体反应混合物在每种情况下总是仅通过一个开口流入各个室中。该实施方案进一步增加了测量流体反应混合物组成的点。

在另一优选的实施方案中，提供了两个或更多个取样管且取样管各自以固定的方式连接于套管，应使各取样管的开口直接位于套管的孔上，并且单独的取样管各自在不同高度在缝隙中开口。此外，还可以通过如下方式将套管本身配置为取样管：仅在在每种情况下与一个取样管直接连接的位置提供孔，并在套管上在不同于取样管开口的位置提供另一个孔，流体反应混合物由此流入。

本发明方法和设备能够以简单方式利用现有的工厂分析仪器准确认知实际反应情况和真实温度，以及优选对热点至关重要的温度。这允许操作基本接近催化剂的负荷极限；由此可更好地利用催化剂，同时能够避免由不利的高热点形成而导致的破坏。此外，由于认知了实际反应情况，催化剂活性可根据实际反应情况在空间上以不同方式配置在缝隙中。这保护了催化剂，尤其是在热应力更大的区域，并由此更加有利地调节了催化剂的老化以更持久和更有利地利用。

此外，反应器可以基本上更加均匀地操作，这使得其中进行的反应的总选择性受到积极影响。此外，催化剂活性对实际反应情况的适应使得所需热载体的量减少。

下文参考附图详细说明本发明。

各附图表示：

图1为具有热板的反应器的纵截面，其中热板具有中央设置的用于容纳热电偶的套管，图1A为横截面示意图，

图2为具有侧设置的套管的另一实施方案的纵截面，图2A为横截面示意图，

图3为具有水平设置在缝隙中的套管的另一实施方案的纵截面，图3A为横截面示意图且图3B为细节示意图，

图4为具有有孔套管和取样管的另一实施方案的纵截面，图4A为横截面示意图，

图5为本发明套管在热板组件中的安装的示意图，和

图6为热板表面上的优选焊点分布的示意图。

在附图中，相同编号表示相同或相应的特征。

图1表示具有热板1和中间缝隙2(其中已经引入了固定催化剂床)的反应器的截面图。在所示优选实施方案中，套管3设置在缝隙2中央且其包封有例如具有4个测量点的热电偶4。套管3和热电偶4通过反应器外套中的喷嘴伸出反应器。

图1A中的横截面示意图说明了具有位于其中的热电偶4的套管3的圆柱形几何结构。

图2中的示意图表示在两个热板(没有示出)之间的缝隙2区域中的反应器纵截面。在缝隙2中，具有热电偶4的套管3设置在侧边界6。在套管3和缝隙2的侧边界之间装有绝缘元件5。

图2中的横截面示意图说明了热板1，包括其在侧边界6的固定，以及具有热电偶4的套管3的圆柱形设计，以及绝缘元件5的形状适配(form-fitting)设计。

图3示出了在缝隙2中水平设置了具有热电偶4的套管3的另一实施方案的截面图。在伸入缝隙的末端附近，套管具有孔7，可以通过孔7取出反应混合物样品。

图4中的示意图表示具有套管3的另一实施方案的纵截面，套管3具有孔7以将样品取入取样管8。具有取样管8的套管3通过喷嘴9伸出反应器。

图4A中的横截面示意图说明了具有孔7和取样管8的套管3在横截面上的实施方案。

图5表示具有平行热板1和中间缝隙2的反应器的截面图。例如，示出了套管3，套管3在纵向上伸入两个热板1之间的缝隙2中，并通过反应器外套中的喷嘴9在反应器的外部敞开。

图6表示热板表面上的两种优选的焊点分布：在每种情况下，说明的是热板1的对应于水平轴上的5倍焊点间距和垂直轴上的5倍行距的长方形表面截面。图6中的上图表示在具有5倍焊点间距和5倍行间距的热板1的所示表面截面上总共具有33个焊点的优选焊点分布，下图表示在相同尺寸的表面截面上具有25个焊点的另一优选分布。