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Dokumentenidentifikation DE60309010T2 05.04.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001488845
Titel Katalytischen Zersetzung von Distickstoffmonoxid (N2O)
Anmelder Radici Chimica Spa, Novara, IT
Erfinder Alini, Stefano, 27051 Cava Manara (Pavia), IT;
Frigo, Emilio, 35137 Padova, IT;
Rinaldi, Cinzia, 28064 Carpignano Sesia (Novara), IT
Vertreter PRÜFER & PARTNER GbR, 81479 München
DE-Aktenzeichen 60309010
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.06.2003
EP-Aktenzeichen 034253963
EP-Offenlegungsdatum 22.12.2004
EP date of grant 11.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.04.2007
IPC-Hauptklasse B01D 53/86(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Was hier folgt, ist die Beschreibung eines höchst effizienten katalytischen Prozesses, um Distickstoffmonoxid- (N2O) in gasförmigen Stickstoff und Sauerstoff umzuwandeln.

Das Distickstoffmonoxid- stellt die Hauptquelle von stratosphärischem NO dar und es wird angenommen dass es zur Zerstörung der Ozonschicht beiträgt; darüber hinaus wird es als ein Gas eingestuft, das zum Treibhauseffekt beiträgt mit einem 270- Fach höheres Potential als CO2 (auf Gewichtsbasis und auf 100 Jahre Laufzeit gerechnet).

Distickstoffmonoxid- wird durch chemische Vorgänge bei der Produktion oder Anwendung von Salpetersäure erzeugt.

Man schätzt dass 10 % des Distickstoffmonoxid- das jährlich in die Atmosphäre ausströmt, aus der Produktion der Adipinsäure stammt. Die Abgase aus den Adipinsäure-Anlagen haben einen N2O Gehalt, der bis zu 65 % erreichen kann, häufiger jedoch einen Höchstwert von 40 % des Volumens erreicht. Normalerweise enthalten diese Abgase auch Wasser, Sauerstoff und Kohlendioxid. Der Wassergehalt ist normalerweise auf Sättigungsniveau, für das fragliche Gas ist die genaue gegenwärtige Menge eine Funktion des Systems Temperatur und Betriebsdruck, liegt aber im Allgemeinen bei maximal 1-2 % des Volumens. Sauerstoff ist immer anwesend, im Allgemeinen mit einem Gehalt zwischen 5 und 15 Volumen % und im Gegensatz zum Kohlendioxid, das Reaktionen nicht beeinflusst, kann die Anwesenheit von Sauerstoff die Reaktionskinetik beeinflussen abhängig davon welcher Katalysatortyp verwendet wird.

Es können auch Spuren von volatilen organischen Verbindungen und von NOx anwesend sein. NOx Konzentrationen bis zu 2000 ppm beeinflussen den Vorgang nicht. Nach dem neuesten Stand der Technik, ist die Beseitigung des NOx, ein bekannter Vorgang und kann mit verschiedenen Technologien durchgeführt werden, die zu seiner Gewinnung oder Zerstörung dienen.

Die katalytische Zersetzung des Distickstoffmonoxid- zeigt mehrere Merkmale, die nicht von der Art des verwendeten katalytischen Systems abhängig sind. Der Hauptzweck dieser Erfindung ist die Bewertung und die Kontrolle dieser Aspekte. Insbesondere ist die Zersetzung des N2O stark exotherm (–19,6 Kcal/mol). Leider sind die meisten katalytischen Systeme nicht imstande die Reaktion bei Temperaturen unter mehreren 100 Graden Celsius (normalerweise über 300°) auszulösen. Da die Reaktion in Festbett-Reaktoren durchgeführt wird mit N2O-haltigen industriellen Abgasen, könnten auf dem katalytischen Bett merkliche Temperatursteigerungen stattfinden (bis und über 1000° C), wenn keine angemessenen Kontrollsysteme vorhanden wären.

Die stark exotherm Reaktion verursacht also eine Reihe von Problemen die man angehen und beseitigen muss, um einen industriellen Vorgang realisieren zu können.

Zum Beispiel können hohe Temperaturen zu folgenden Problemen führen:

  • 1) Schädigung oder Sinterung der Katalysatoren oder ihrer Unterstützersubstanzen, ein bekanntes Phänomen das die katalytische Aktivität beeinträchtigt oder die Lebensdauer des Katalysators heruntersetzt.
  • 2) Hohe Investitionskosten für und sorgfältige Auswahl der hitzebeständigen Materialen zum Bau der Reaktorkörpers.
  • 3) Umweltgesetze und Verordnungen: je höher die Temperatur ist, die auf den katalytischen Betten erzeugt wird, umso höher das Risiko der Bildung von Stickoxyden (NOx), die Gegenstand strenger Umweltgesetze sind.

Um die Temperatur auf den katalytischen Betten zu kontrollieren, wird allgemein vorgeschlagen, den Strom, der Stickoxyde enthält, zu verdünnen. Das Verdünnungsgas besteht normalerweise aus einem Teil des geklärten Stromes (USP 6.056.928), der angemessen abgekühlt wird, so dass das Gas als Kühlmittel dienen kann (USP 5.200.162). Dieses System weist aber auch einige Nachteile auf. Für eine effiziente Temperaturkontrolle sollte die Konzentration des Distickstoffmonoxid-, das in den Reaktor eintritt, nicht hoher als 15 % des Volumens sein. Die Abgase müssen dafür mit großen Mengen von Verdünnungsgas verdünnt werden wozu Großanlagen erforderlich sind.

Zusätzliche Komplikationen entstehen wenn man als Verdünnungsgas geklärte Abgase verwendet, da diese hohen Temperaturen aber einen niedrigen Druck aufweisen.

  • 1) Da sie unter einem niedrigeren Druck stehen als die zu behandelnden N2O-haltigen Abgase können sie nicht einfach eingemischt werden, sondern müssen zunächst mechanisch durch einen Kompressor oder Booster auf den Druck eingestellt werden.
  • 2) Da sie hohe Temperaturen aufweisen müssen sie widersinniger weise gekühlt werden um Beschädigungen am Kompressor zu vermeiden um danach wieder aufgewärmt zu werden für die Reaktion. Diese dem bestehenden System innewohnenden Ineffizienzen machen den Prozess teuer.

EP 1 040 862 schlägt einen katalytischen Prozess zur Zersetzung von Distickstoffmonoxid- vor, der den Katalysator auf eine Reihe von katalytischen Betten verteilt damit die Temperaturkontrolle verbessert wird. Wie aus den angegebenen Beispielen zu ersehen ist, ist trotz dieses Ausbaus des Systems eine hohe Menge an Verdünner erforderlich. Die Technologie des Mehrbett-Reaktors ist bekannt, und wird nach neuestem Stand der Technik angewendet, um die Temperatur zu kontrollieren und die erforderlichen Mengen an Verdünnungsgas zu verringern, wie aus den Patenten US 5.759.500 und US 3.467.492 ersichtlich wird. In jedem Fall wird das Distickstoffmonoxid- verdünnt, um die Wärmeabgabe der Reaktion zu verringern.

Die vorliegende Erfindung hat folgende Zwecke:

  • 1) ein System bereitzustellen, das die Temperaturkontrolle in den katalytischen Betten zu jeder Zeit erlaubt und dadurch die Arbeit mit den höchsten erwünschten Temperaturen ermöglicht und gleichzeitig die Verdünnung des Stromes, der Distickstoffmonoxid- bis zu einer Konzentration von 30 % des Volumens enthält, verhindert.
  • 2) Eine maximale Wärmerückführung aus der Zersetzungsreaktion zu erreichen, wodurch der Umweltschutzprozess auch wirtschaftlich vorteilhafter wird.
  • 3) Die Arbeit innerhalb eines Temperaturbereiches zu ermöglichen, der die Entstehung von NOx minimiert, so dass stromabwärts keine NOx-Abscheidungsanlage mehr benötigt wird.

Weitere Ziele der vorliegenden Erfindung sind: den Verbrauch an Energie zu verringern, die nötig ist, um die Reaktion auszulösen und in Gang zu halten, was geringeren Treibstoffverbrauch während der Anlaufphase bedeutet, und ein höhere Wärme-Rückgewinnung während des gewöhnlichen Betriebes der Distickstoffmonoxid-Zersetzungsanlage ermöglicht. Die Zündungsreaktion bei den niedrigste möglichen Temperaturen zu erlauben, um so – bei industrieller Anwendung – den Bedarf an hoch aktiven aber auch sehr teuren Katalysatoren zu vermindern.

Das von uns entwickelte System ist so konstruiert, dass der Katalysator auf eine Reihe von katalytischen Betten verteilt wird, deren Zahl variieren kann, je nach der zu behandelnden Gasmenge. ( zeigt als Beispiel das Diagramm eines 3-Bett Systems). Auf diese Weise ist es möglich eine Reihe von Vorteilen zu erreichen. Der erste Vorteil ist, dass man die Masse der N2O haltigen Abgase (1) auf eine Reihe von Strömen verteilen kann, die bei unterschiedlichen Temperaturen durch katalytische Betten geleitet werden können, die oberhalb des letzten katalytischen Bettes liegen.

Nach der vorliegenden Erfindung (siehe ), wird der Katalysator von BED1 in die Röhren eines mehr röhrigen Reaktors gebracht; Strom 1A, der N2O enthält wird unverdünnt durch die Röhren geleitet; Strom 1B wird durch den Mantel geleitet.

Mehr röhrigen Reaktoren die für den Zweck dieser Erfindung nützlich sind, sind gut bekannt und werden zum Beispiel in den folgenden Texten beschrieben:

  • • "Perry's Chemical Engineering Handbook" 7th edition, Robert H. Perry and Don W. Green, Mc Grau-Hill International Edition section 7 and 23; Und
  • • H. Kramers and K.R. Westerterp "Elements of Chemical Reactor Design and Operation" Chapman and Hall Ltd. London (1963);

    Beide werden hier als Referenzen zitiert.

Strom 1A wird in dem Austauscher E2 (oder in einem Brenner H1 während der Anlaufphase der Anlage) vorgewärmt bis zur Anfangstemperatur der Reaktion. Strom 1A tritt in das katalytische BED1 ein wo die Zersetzung von Distickstoffmonoxid- stattfindet mit Wärmebildung. Strom 1B wird in den Mantel des mehr röhrigen Reaktors geleitet um durch Beseitigung der Reaktionswärme die Temperatur in dem katalytischen BED1 zu kontrollieren.

Die Temperatur des Stromes 1B, der durch den Mantel des mehr röhrigen Reaktors geht, kann durch den Wärmeaustauscher E1 eingestellt werden: dadurch ist es möglich sicherzustellen das die Hitze der Reaktion beseitigt wird und die Temperatur von Strom 2 so gehalten wird, dass die Reaktion auf den Betten die sich stromabwärts befinden, in Gang gehalten wird. Dieser Reaktorteil ist Isothermal. Der Abfluss aus dem Mantel des mehr röhrigen Reaktors (Strom 2), wird in so viele Gasströme unterteilt, wie sich katalytische Betten Stromabwärts von BED1 befinden. Zum Beispiel ist in der Strom 2 auf zwei Ströme unterteilt worden, die 2A und 2B genannt wurden. Diese Ströme, die Distickstoffmonoxid- enthalten, befinden sich auf der gewünschten Temperatur, um in den Reaktionsbereich eingeführt zu werden.

Wenn man diesen Systemaufbau anwendet kann das Gas das aus dem ersten katalytischen Bett BED1 ausströmt als das Verdünnungsgas betrachtet werden für die Menge der Gasförmigen Emissionen 2A die stromaufwärts des zweiten katalytischen Bettes (BED2) geleitet werden. Durch die geeignete Mischung der zwei Ströme, entsteht ein gasförmiges Gemisch mit dem gewünschten Anteil an N2O und in gewünschter Temperatur. Dieses Gemisch erreicht dann das zweite katalytische Bett (BED2), wo die Zersetzung des Dickstoffmonoxids- stattfindet. Mit der Kontrolle der Konzentration des N2O Einflusses wird auch die maximal gewünschte Temperatur in dem zweiten katalytischen Bett kontrolliert. Auf diese Weise kann auch die Wärme die aus dem katalytischen Betten kommt, maximal verwertet werden. Wie man daraus ersehen kann, wird der Strom der aus dem zweiten Bett (BED2) austritt zum Verdünner für die folgende Gasmenge (2B), vorgewärmt in dem Mantel des mehr röhrigen Reaktors der BED1 enthält und dieser Prozess wird wiederholt nach der Anzahl der Betten auf die der Katalysator verteilt ist.

Hinter dem letzten Bett befindet sich ein Austauscher (E2). Unter Verwendung der heißen Gase, die aus dem Reaktor austreten, wärmt dieser Austauscher die Menge des Gases (1A) auf die minimale Anfangstemperatur vor, bevor sie zum ersten katalytischen Bett geleitet wird.

Stromabwärts dieser Austauscher, befindet sich ein Dampfkessel (E3) der zur Erzeugung von Dampf mit dem gewünschten Druck genutzt wird – oder jegliche Art von Wärmerückgewinnungssystem. Stromabwärts des Wärmerückgewinnungssystems (E3) befindet sich ein Austauscher (E1), der gebraucht wird um die gesamte Menge der gasförmigen Emissionen auf die angemessene Temperatur für die Einleitung in die Zersetzungsanlage vorzuwärmen.

Deshalb wird der Verdünner nicht gebraucht; aus diesem Grunde ist es möglich den Booster oder Kompressor zu entfernen und der Prozess wird vereinfacht.

Die Kontrolle der Wärmefreisetzung (Esothermie) durch die Zersetzung von Distickstoffmonoxid- in dem katalytischen BED1 wird durch indirekten thermischen Austausch in dem mehr röhrigen Reaktor verwirklicht.

Stromabwärts von BED1, wird die Kontrolle der Wärmefreisetzung der Reaktion durch direkten thermischen Austausch erreicht, z.B. durch Mischung eines Hochtemperaturstromes, der praktisch frei von Distickstoffmonoxid- ist, mit einem Strom der Dickstoffmonoxid enthält. Auf diese Weise wird der Abfluss aus dem stromaufwärts liegenden katalytischen Bett abgekühlt, der Strom, der N2O enthält, wird erwärmt und die dadurch erhaltene Mischung ist auf der minimalen Anfangstemperatur sowie in der gewünschten N2O Konzentration.

Damit ist der Zweck der beschriebenen Erfindung einen mehrstufigen Prozess für die katalytische Zersetzung von Distickstoffmonoxid- bereitzustellen. Die Stufen sind wie folgt:

  • (a) ein gasförmiger Strom 1 der Distickstoffmonoxid- enthält, wird in mindestens zwei gasförmige Ströme 1A und 1B untergeteilt;
  • (b) Strom 1A wird durch ein erstes katalytisches Bett geleitet, das zur katalytischen Zersetzung von Distickstoffmonoxid- geeignet ist; und sich innerhalb eines Mehrrörige Reaktors befindet, wodurch zumindest ein Teil des enthaltenen Distickstoffmonoxid- zersetzt wird;
  • (c) Strom 1B wird durch den Mantel des mehr röhrigen Reaktors geleitet und Strom 2, der aus dem Mantel des mehr röhrigen Reaktors austritt wird in mindestens 2 Gasströme 2A und 2B unterteilt;
  • (d) der Abfluss aus dem katalytischen BED1 wird mit dem Strom 2A gemischt;
  • (e) das so erlangte gasförmige Gemisch wird durch ein zweites katalytisches Bett (BED2) geleitet, auch der Art die zur katalytischen Zersetzung des Distickstoffmonoxid- geeignet ist und stromabwärts des ersten katalytischen Bettes (BED1) angebracht ist, wodurch zumindest ein Teil des enthaltenen Distickstoffmonoxid- zersetzt wird.
  • (f) der Abfluss aus dem katalytischen BED2 wird mit Strom 2B gemischt,
  • (g) das so erhaltene gasförmige Gemisch wird durch ein drittes katalytisches Bett (BED3) geleitet, auch der Art die zur katalytischen Zersetzung des Distickstoffmonoxid- geeignet ist und Stromabwärts des zweiten katalytischen Bettes (BED2) angebracht ist, wodurch zumindest ein Teil des enthaltenen Distickstoffmonoxid- zersetzt wird.

Strom 1 ist ein Abgas, das normalerweise aus der Produktion von Adipinsäure stammt, gewöhnlich mit Temperaturen von 25-40° C.

In der Anlaufphase, wird der Strom 1A durch einen Brenner oder einen elektrischen Erhitzer H1 geleitet, um auf die gewünschte Temperatur der Zersetzungsreaktion des Distickstoffmonoxid- gebracht zu werden. Das heißt auf eine Temperatur zwischen 300 und 600° C vorzugsweise zwischen 350 und 550° C. Strom 1A fließt so in das katalytisches Bett BED1, wo die Zersetzung des Distickstoffmonoxid- stattfindet, und fließt mit einer Temperatur zwischen 600 und 850° C wieder aus. Der Abfluss aus dem Bett (BED1) ist nun praktisch frei von Distickstoffmonoxid-, (beziehungsweise hat eine Distickstoffmonoxid-Konzentration von weniger als 500 ppm) und wird verwendet, um den Strom 2A zu verdünnen; seine Temperatur wird so wieder auf den Temperaturbereich zwischen 300 und 600°, vorzugsweise zwischen 350 und 550° C gebracht. Der so erhaltene neue Strom, tritt in das nächste katalytische Bett (BED2) ein, wo – noch einmal – das Distickstoffmonoxid- das im Strom 2A enthalten ist zersetzt wird, und tritt mit einer Temperatur zwischen 600 und 850° C wieder aus. Falls dieser Prozess, nach der vorliegenden Erfindung die Anwendung eines drittes Stromes 2B vorsieht, so wird dieser letzte Strom mit dem Abfluss aus dem katalytischen Bett (BED2) gemischt, wodurch dessen Temperatur auf circa 300-600° C vorzugsweise zwischen 350-550° C zurückgebracht wird. Der so entstandene neue Strom tritt in das katalytische Bett (BED3) ein, wo noch einmal das Distickstoffmonoxid- das im Strom 2B enthalten ist zersetzt wird, und der Strom mit einer Temperatur zwischen 600-850° C ausfließt. Es ist offensichtlich, dass diese Folge bei Hinzunahmen eines oder mehrerer zusätzlicher Ströme oder eines oder mehrerer katalytischer Betten wiederholt werden kann.

Der Gasstrom 3, flussabwärts des letzten katalytischen Bettes der Folge weist einen Gehalt von Distickstoffmonoxid- von weniger ist als 200 ppm auf.

Bei Normalbetrieb wird der Strom 1A vor seinem Durchgang durch BED1 durch einen Wärmeaustauscher (E2) in thermischen Kontakt mit Strom 3 gebracht. Auf diese Weise wird Strom 1A auf die Anfangstemperatur für die Distickstoffmonoxid-Zersetzungsreaktion gebracht, ohne dass der Brenner H1 betätigt werden muss. Bei Austritt aus dem Wärmetauscher E2 wird Strom 3 dann durch den Wärmeaustauscher E1 in thermischen Kontakt mit dem Strom 1 gebracht; auf diese Weise kann der Strom 1 auf eine Temperatur zwischen 60-200° C, vorzugsweise zwischen 80-180° C aufgewärmt werden. Zusätzlich kann der Strom 3, bevor er durch den Wärmeaustauscher E1 fließt, durch jede Art von Wärmerückgewinnungssystem E3 geleitet werden, vorzugsweise ein Kessel zur Dampfproduktion.

Unter normalen Betriebsbedingungen hat Strom 3, wenn er aus dem Wärmeaustauscher E1 austritt, eine Temperatur von circa 130-200° C.

Wie in der Anlaufphase, unter normalen Betriebsbedingungen, wird der Strom der aus dem katalytischen Bett 1 (BED1) mit einer Distickstoffmonoxid-Konzentration von unter 500 ppm austritt benutzt um Strom 2A zu verdünnen; seine Temperatur wird so wieder auf 300-600 vorzugsweise 350-550° C gebracht. Der so erhaltene neue Strom tritt in das katalytische BED2 ein, wo einmal mehr die Zersetzung des in Strom 2 enthaltenen Distickstoffmonoxid- stattfindet; und der Strom mit einer Temperatur zwischen 600 und 850° C austritt. Offensichtlich wird die gleiche Prozedur auch für ein drittes katalytisches BED3 oder mögliche weitere Betten, die stromabwärts von BED3 liegen wiederholt.

a) Das System kann für alle Gasemissionen die Distickstoffmonoxid- in hohen Konzentrationen enthalten angepasst werden, die nicht unbedingt aus Adipinsäure-Produktionsanlagen stammen und auch höhere Stickoxyd(NOx), Wasser und/oder Sauerstoffkonzentrationen enthalten. Der Rahmen dieser Erfindung liegt nicht in der Natur des Katalysators, seiner Größe oder Form, sondern eher im Prozess in welchem sie angewendet wird. Deshalb hängen die Anwendung und der Erfolg des beschriebenen Prozesses nicht davon ab welche Art von Katalysator gewählt wird, vorausgesetzt dass der verwendete Katalysator zur Herbeiführung der Reaktion zur Zersetzung des Distickstoffmonoxid- geeignet ist. Deshalb können alle Katalysatoren verwendet werden, die geeignet sind für die katalytische Zersetzung des Distickstoffmonoxid- in gasförmigen Sauerstoff und Stickstoff und jedes Bett kann die gleichen oder unterschiedliche Katalysatoren enthalten, In der Fachliteratur gibt es unzählige Beiträge, die Katalysatoren darstellen, die für die Zersetzung des Distickstoffmonoxid- geeignet sind und daher in diesem Prozess verwendet werden können.

Einige Beispiele von Katalysatoren, die zu den oben erwähnten Kategorien gehören, werden beschrieben in:

EP 1262224, WO 00/23176, WO 00/51715, US 5.612.009, US 5.705.136, US 5.562.888, EP 1197259, WO 94/27709, US 5.171.553, WO 99/34901, WO 94/27709, US 5.472.677, US 5.407.652, die alle hier als Referenzen zitiert werden.

All die Katalysatoren die in den Beispielen aufgelistet sind, stellen die Vorzugswahl dar; außerdem, wie aus dem Beispiel 3 ersichtlich wird, können die Katalysatoren die in den katalytischen Betten enthalten sind, von verschiedener Herkunft sein.

Der Kunstgriff Katalysatoren auf verschiedene Betten zu verteilen, ergibt die Möglichkeit verschiedene Katalysatoren auf jedem Bett zu verwenden.

Zum Beispiel kann es nützlich sein, im ersten Bett (BED1) einen Katalysator zu haben, der die Reaktion bei der niedrigste möglichen Temperatur auslöst (wie es im allgemeinen für Katalysatoren auf der Basis von Edelmetallen der Fall ist) und in den folgende Betten (BED2 und 3) weniger teure Katalysatoren zu haben, die bei höheren Temperaturen aktiv werden.

Das bedeutet dass in der Anlaufphase, die Auslösetemperatur schnell erreicht wird. In Anbetracht der Methoden zur Durchführung des Prozesses wird, wenn die Reaktion im ersten Bett angelaufen ist, diese auch gleichzeitig in den anderen Betten ausgelöst. Auf diese Art wird die Energiezulieferung in (H1), elektrisch, durch Verbrennung von Methan oder jedem anderen Brennstoff weiter verringert. Darüber hinaus erfordert die niedrigere Anlauftemperatur bei Normalbetrieb, die nötig ist um die Reaktion in Gang zu halten, eine nicht so hohe Erwärmung des Strom 1A, so dass einen höhere Wärmerückgewinnung in (E3) möglich ist.

Die gebräuchliche Anordnung mehrstufiger Reaktoren sieht übereinander liegende Betten vor. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind jedoch auch Anordnungen entlang einer Achse oder in verschiedenen Reaktoren sowie andere Anordnungen denkbar. Der Anzahl der Betten können auch variieren, je nach der Art des Gases das zu behandeln ist.

Unser Prozess ist leicht zu handhaben durch computergesteuerte Systeme zur Prozesskontrolle, die jedoch entwickelt werden müssen abhängig von der Art des Gases, das behandelt werden soll und der Art der Katalysatoren, die für die verschiedenen Betten gewählt wurden.

Die folgenden Beispiele dienen – mit dem Verständnis, dass die Erfindung in kleinster Art auf diese beschränkt ist – dazu, die Erfindung besser darzustellen.

BEISPIELE

Die Gasanalysen wurden in einem Gas-Chromatographen mit einem Wärmeleitungs-Detektor ausgeführt. Um die Reproduzierbarkeit der Analyse zu erhöhen wurde ein Probesystem mit pneumatischen Ventilen benutzt. Zur Trennung von Distickstoffmonoxid- und Kohlendioxid von dem Stickstoff/Sauerstoff Gemisch dient die Säule ein Poropack Q 160-180 µm (80/100 mesh), Länge 1,83 m (6ft), 3,175 mm (1/8''). Zur Trennung vom Sauerstoff von dem Stickstoff, wurde eine molekulare Feinsieb-Säule – 13X, 250-355 µm (45/60 Masche), Länge 1,219 m (4ft), d.e. 3.175 mm (1/8'') – hinter der ersten Säule platziert. Die Ofentemperatur für den Gas- Chromatographen wurde auf 40° C bis 155° C programmiert, und die Flussrate des Trägers war 30 cc/min.

Die benutzte Anlage besteht aus drei übereinander liegenden Betten, wie in dargestellt.

Das benützte Gas kommt direkt aus einer Adipinsäure-Produktionsanlage, und hat die folgende Zusammensetzung, die abhängig von den Betriebsbedingungen flussaufwärts variieren kann.

Folgende Beispiele erläutern einige der Betriebsbedingungen unter denen die Anlage genutzt werden kann. Dies soll die Wirksamkeit des Systems darstellen bezüglich Kontrolle der Wärmefreisetzung (Esothermie) und Zersetzungsleistung. Auf industrieller Ebene kann jedoch noch eine Reihe von Vorrichtungen hinzugefügt werden um die Systemhandhabung weiter zu vereinfachen und zu verbessern.

Beispiel 1

Einer der bevorzugten Katalysatoren um das Experiment auszuführen ist derjenige, der in EP 1 197259 beschrieben wird und vom Erzeuger im Standard-Industrieformat angeboten wird. Dieser besteht aus eine Mischung von Lanthan-, Kupfer- und Magnesiumoxiden, unterstützt von drei-lappigem drei-löcherigen &ggr;-allumina pellet.

Der Katalysator wurde auf folgende Art auf die drei Betten verteilt:

Die Eingangstemperatur am BED1 wurde auf 480° C gehalten. Für einen Gasabfluss im Gesamtsystem von 52,3 kg/h mit einem Distickstoffmonoxid-Gehalt von 40 % Gewichtsanteil wurden folgende Verteilungen gemacht:

Unter diesen Bedingungen wird die Konzentration in den Betten BED2 und BE 3 immer auf 20 % Gewichtsanteil zurückgebracht, wodurch die Kontrolle der Wärmeentwicklung ermöglicht wird. Ströme 2A und 2B, in E1 vorgewärmt auf 80° C wurden dem Mantel des mehr röhrigen Reaktors zugeführt, aus dem sie bei 192° C wieder austreten. Auf dieser Temperatur wurden sie in die katalytischen Betten 2 und 3 eingeführt. Unter diesen Bedingungen kann die Eingangstemperatur auf ungefähr 500° C und die Abflusstemperatur aus jedem Bett bei ungefähr 800° C stabilisiert werden. Die stündliche Gas-Raumgeschwindigkeit (gas hourly space velocity GHSV) auf jedem Bett beträgt 4500 h–1. Die Konzentration des aus dem Reaktor abfließenden Distickstoffmonoxid- liegt bei 40-100 ppm, mit einer Umwandlungsrate von über 99,9 %.

Beispiel 2

Ein 4-Bett Reaktor ermöglicht eine bessere Kontrolle der Temperaturen. Das vierte Bett wird flussabwärts des katalytischen BED3 angebracht. Auf diese Weise ist Strom 1A geringer als im vorigen Beispiel während Strom 1B größer ist.

Der Katalysator wurde auf die vier Betten folgendermaßen verteilt:

Die Eingangstemperatur am BED1 wurde auf 480° C gehalten. Für einen Gasabfluss im Gesamtsystem von 52,32 kg/h mit einem Distickstoffmonoxid-Gehalt von 40 % Gewichtsanteil wurden folgende Verteilungen gemacht:

Unter diesen Bedingungen werden die Konzentrationen in den Betten BE 2, BED3 und BED4 immer auf 20 % Gewichtsanteil zurückgebracht, wodurch die Kontrolle der Wärmeentwicklung ermöglicht wird. Ströme 2A, 2B und 2C, in E1 vorgewärmt auf 120° C wurden dem Mantel des mehr röhrigen Reaktors zugeführt, aus dem sie bei 168° C wieder austreten. Auf dieser Temperatur wurden sie in die katalytischen Betten 2, 3 und 4 eingeführt. Unter diesen Bedingungen kann die Eingangstemperatur auf ungefähr 490° C und die Abflusstemperatur aus jedem Bett bei ungefähr 790° C stabilisiert werden. Die stündliche Gas-Raumgeschwindigkeit (gas hourly space velocity GHSV) auf jedem Bett beträgt 4500 h–1. Die Konzentration des aus dem Reaktor abfließenden Distickstoffmonoxid- liegt bei 40-100 ppm, mit einer Umwandlungsrate von über 99,9 %.

Beispiel 3

Die Verteilung des Katalysators auf mehrere Betten ermöglicht den Gebrauch verschiedener Katalysatoren in jedem katalytischen Bett. Im folgenden Beispiel wurde BED1 mit dem Zeolitischen Katalysator, wie in WO99/34901 beschrieben, geladen der vom Hersteller in Industrieformat geliefert wird; die Betten BED2 und BED3 wurden mit dem in Beispiel 1 definierten Katalysator geladen. Mit dieser Anordnung kann die Reaktion bei 350° C ausgelöst werden.

Die Katalysatoren wurden folgendermaßen auf die drei Betten verteilt:

Unter diesen Bedingungen werden die Konzentrationen in den Betten BED2 und BED3 immer auf 20 % Gewichtsanteil zurückgebracht, wodurch die Kontrolle der Wärmeentwicklung ermöglicht wird. Ströme 2A und 2B, in E1 vorgewärmt auf 180° C wurden dem Mantel des mehr röhrigen Reaktors zugeführt, aus dem sie bei 300° C wieder austreten. Auf dieser Temperatur wurden sie in die katalytischen Betten 2 und 3 eingeführt. Unter diesen Bedingungen kann die Eingangstemperatur auf ungefähr 476° C und die Abflusstemperatur aus BED2 auf ungefähr 780° C stabilisiert werden; die Eingangstemperatur in BED3 stabilisierte sich bei etwa 840° C. Die stündliche Gas-Raumgeschwindigkeit (gas hourly space velocity GHSV) auf jedem Bett beträgt 4500 h–1. Die Konzentration des aus dem Reaktor abfließenden Distickstoffmonoxid- liegt bei 40-100 ppm, mit einer Umwandlungsrate von über 99,9 %.


Anspruch[de]
Der chemische Vorgang für die katalytische Zersetzung des Stickstoffoxyduls (N2O) in gasförmigen Stickstoff und Sauerstoff, geschieht durch folgende Stufen:

(a) ein gasförmiger Fluss 1, der Stickstoffoxydul enthält, wird in zwei gasförmige Flüsse 1A und 1B unterteilt;

(b) der gasförmige Fluss 1A, wird durch ein erstes katalytisches Bett (BED1) geleitet, das in die Röhren eines mehrröhrigen Reaktors eingeführt wird;

(c) der gasförmige Fluss 1B, wird durch den Mantel des mehrröhrigen Reaktors geleitet;

(d) Fluss 2, der aus den Mantel des mehrröhrigen Reaktors tritt, wird mit dem Ausfluss aus dem katalytischen BED1 gemischt;

(e) das so erlangte gasförmige Gemisch, wird durch ein zweites katalytisches Bett geleitet (BED2), das flussabwärts des ersten katalytischen Betts BED1 platziert wird.
Ein chemischer Vorgang, nach Forderung 1, enthält folgende Stufen:

(a) ein gasförmiger Fluss (1), der Stickstoffoxydul enthält, wird in zwei gasförmige Flüsse 1A und 1B unterteilt;

(b) Fluss 1A, wird durch ein erstes katalytisches Bett (BED1) geleitet, das in die Röhren eines mehrröhrigen Reaktors eingeführt wird;

(c) Fluss 1B, wird durch den Mantel des mehrröhrigen Reaktors geleitet, und Fluss 2, der aus den Mantel des mehrröhrigen Reaktors austritt, wird in mindestens zwei gasförmige Flüsse 2A und 2B unterteilt;

(d) der Ausfluss 2A aus dem katalytischen BED1 wird mit Fluss 2A gemischt;

(e) das so erlangte gasförmige Gemisch, wird durch ein zweites katalytisches Bett (BED2) geleitet, das flussabwärts des ersten katalytischen Bettes (BED1) platziert wird,

(f) der Ausfluss aus dem katalytischen BED2, wird mit Fluss 2B gemischt,

(g) das so erlangte gasförmige Gemisch wird durch ein drittes katalytisches Bett (BED3) geleitet, das flussabwärts des katalytischen Bettes (BED2) platziert wird.
Ein chemischer Vorgang nach den vorstehenden Forderungen, wird durch die Tatsache charakterisiert, dass – im Wärmeaustauscher E2 durch Temperaturaustausch mit dem gasförmigen Fluss 3 der aus dem letzten katalytischen Bett austritt – die Gasflusstemperatur beim Eintritt in das katalytische BED1 auf 300-600° C gebracht wird, vorzugsweise zwischen 350 und 550° C. Ein chemischer Vorgang nach den vorstehenden Forderungen, wird durch die Tatsache charakterisiert, dass – vor dem Eintritt in das nächste katalytische Bett (BED2) – die Temperatur des Ausflussgases aus dem katalytischen BED1 durch Mischen mit dem Gasfluss 2A auf 300-600° C gesenkt wird, vorzugsweise zwischen 350 und 550° C. Einen chemischer Vorgang nach den vorstehenden Forderungen, wird durch die Tatsache charakterisiert, dass – vor dem Eintritt in das nächste, katalytische Bett (BED3) – die Temperatur des Ausflussgases aus dem katalytischen BED2 durch Mischen mit dem Gasfluss 2B auf 300-600° C gesenkt wird, vorzugsweise zwischen 350 und 550° C. Ein chemischer Vorgang nach den vorstehenden Forderungen, wird durch die Tatsache charakterisiert, dass die Temperatur von Gasfluss 1, durch Wärmeaustausch mit Gasfluss 3 im Wärmeaustauscher E1, der flussabwärts vom Austauscher E2 platziert ist auf 60-200° C gebracht wird.






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