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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von exothermen katalytischen Gasreaktionen bei höherem Druck und erhöhten Temperaturen, insbesondere einer Ammoniak- oder Methanolsynthese
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von exothermen katalytischen Gasreaktionen bei höherem Druck und erhöhten Temperaturen, insbesondere einer Ammoniaksynthese im Druckkörper eines Reaktors mit zwei oder mehreren selbständigen Parallelsystemen, von welchen ein jedes aus einem selbständigen Wärmeteilaustauscher in Serienverbindung mit einem selbständigen ein-oder mehrschichtigen Katalysatorbett besteht.
Zum Ausgleich der Druckverluste dieser Systeme werden dieselben auf die erwünschten Werte durch Ein- oder Ausschaltung von örtlichen zusätzlichen hydraulischen Widerständen in bzw. aus den eintretenden Teilströmen eingestellt, zu denen der Hauptstrom des Synthesegases vor dessen Einführung in den Druckkörper und gegebenenfalls vor oder nach der Abzweigung der steuernden, zur Regelung der Betriebstemperaturen im Reaktor bestimmten Umleitungen aufgeteilt wird, und auf diese Art und Weise in Vereinigung mit den steuernden Umleitungen diejenigen Mengen der reagierenden Gase geregelt werden, die die einzelnen Parallelsysteme durchstreichen und eine gleichmässige Belastung mit Ausnutzung der einzelnen selbständigen Katalysatorbetten aufrechterhalten.
Die Synthesereaktoren, wie z. B. zur Ammoniak- oder Methanolerzeugung, beteiligen sich an dem Gesamtdruckverlust des Kreislaufes, in dem sie eingegliedert sind, im wesentlichen Masse. Falls der hydraulische Widerstand des Synthesekreislaufes einer Mitteldruck-Ammoniakerzeugung üblicherweise 15 bis 20 at ausmacht, so beteiligt sich der eigentliche Reaktor daran durchschnittlich mit 7-10 at. Die Ausnutzung der bei der Reaktion freiwerdenden Wärme, z. B. für die angeschlossene Wasserdampferzeugung, die die Herstellungsbilanz des Hauptproduktes, wie z. B. Ammoniak, verbessert, ist besonders bei der Eingliederung des Dampfkessels hinter dem Reaktor von der weiteren Erhöhung des Druckunterschiedes begleitet, den die Kreislaufpumpe zu überwinden hat.
Die Bestrebungen nach einer Herabsetzung der hydraulischen Widerstände der einzelnen Apparate des Synthesekreislaufes sind daher wünschenswert. Natürlich wird die Aufmerksamkeit in dieser Beziehung denjenigen Vorrichtungsteilen gewidmet, deren Anteil an dem Gesamtdruckverlust am grössten ist. Einen solchen Teil stellt in erster Linie der eigentliche Reaktor dar.
Zwecks Milderung seiner starken Beeinflussung der Belastung der Kreislaufpumpe wurde bereits eine Umformung bzw. Gestaltung des Kontaktbettes im Reaktor vorgeschlagen, die in der Aufteilung des katalytischen Raumes in zwei oder mehrere Teile besteht, von welchen ein jeder von je einem der Ströme durchflossen wird, in welche die Gesamtmenge des Synthesegasgemenges nach dessen Vorwärmung in dem gemeinsamen unteren Wärmetauscher aufgeteilt wird. Die besagte Aufteilung betraf daher lediglich die Katalysatorfüllung der Betten und liess dabei den unteren, klassisch gelagerten Wärmeaustauscher unangepasst.
Dieser Vorgang ist auf die Erkenntnis gestützt, dass der Hauptanteil des gesamten Druckverlustes von Reaktoren, in denen sämtliche dem Prozess zugeführten Synthesegase entweder die gesamte Kataly-
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satorfüllung oder zumindest irgendeinen Teil derselben durchstreichen, eben nur dem Kontaktbett zukommt. Es bestünde gar keine Bedenken gegen eine solche Aufteilung unter der Voraussetzung, dass die Homogenität der Füllung in sämtlichen gleichlaufend bzw. parallel arbeitenden Teilen des Reaktionsraumes, d. h. sowohl die gleiche Korngrösse der Kontaktmasse als auch die gleich lockere Lagerung der Katalysatorschüttung im Bett gesichert werden könnte. Solche Voraussetzungen können in den Bedingungen eines industriellen Betriebes aber nicht eingehalten werden.
Dies führt zu einer ungleichmässigen Aufteilung der aus dem unteren Wärmetauscher austretenden Synthesegase in die einzelnen Ströme, die zu den ihnen zugehörigen selbständigen, gleichlaufend arbeitenden Katalysatorteilbetten geleitet werden und eine verschiedene Belastung derselben verursachen, was eine niedrigere Reaktorleistung zur Folge hat. Ein Katalysatorteilbett mit einer durch lockere Katalysatorschüttung bedingte lockere Lagerung gegenüber den übrigen wirkt in einem solchen Falle als ein Kurzschlusskanal zwischen dem Austritt des erwähnten Synthesegases aus dem gemeinsamen Austauscher und dem Eintritt der durchreagierten Gase in diesem Austauscher. Die Wirkung solcher Kurzschlüsse ist für den Betrieb weitreichend und in einem konkreten Fall eines Industriereaktors führte sie zu einem Leistungsabfall beinahe auf die Hälfte (s. C. Berg, P. N. Fawcett, R.
O. Dhondt in Chem. Eng. Progress, Bd. 43, Nr. 12 [1947], S. 719 und 720).
Selbst die scheinbar verhältnismässig geringen Abweichungen in der Lockerung der Betten führen zu den fatalen Wirkungen in der Aufteilung der Synthesegase und eine Änderung von 0,5 zu 0,4 m/m kann mehr als die zweifache Erhöhung des hydraulischen Widerstandes des Bettes herbeiführen (s. M. Leva in Chem. Eng., [Mai 1949], S. 115-117). Diese Änderungen werden umso früher bemerkbar, je geringer der Druckverlust zwischen der Aufteilungsstelle des Hauptstromes in die einzelnen Teilströme und deren Vereinigungsstelle zu dem resultierenden Strom ist, was bei der erwähnten Anordnung dem Druckunterschied zwischen dem Austritt der erwähnten Gase aus dem Hauptaustauscher und dem Wiedereintritt bzw. der Rückkehr der'durchreagierten Gase in diesen Austauscher entspricht.
Zur Milderung der ungünstigen Folgen dieser Anordnung wurde bereits eine Lösung vorgeschlagen, die in der Aufteilung des gemeinsamen unteren Hauptaustauschers in mehrere selbständige, gleichlaufend bzw. parallelgeschaltete Teilaustauscher lag, von welchen ein jeder immer je einem selbständigen Katalysatorteilbett angehört, mit dem er ein selbständiges System bildet, das parallel mit den übrigen Systemen arbeitet. Dadurch wurde eine Vergrösserung des Druckunterschiedes zwischen der Aufteilungstelle des Hauptstromes des der Reaktion zugeführten Synthesegasgemenges und den Teilströmen und deren Vereinigungsstelle zu dem resultierenden Strom der durchreagierten Gase erzielt.
Während bei der älteren Anordnung der Hauptstrom erst nach der Erwärmung im gemeinsamen Austauscher zur Aufteilung gekommen ist, wurde bei dieser neueren Lösung durch Einschaltung der Teilaustauscher in einzelne selbständige Systeme eine wesentliche Herabsetzung der Empfindlichkeit des Reaktors gegenüber den Ungleichmässigkeiten in der Packung der parallelen Katalysatorteilbetten erzielt, u. zw. auch im Hinblick auf die Wirkung der übrigen Faktoren, die sich an der Ungleichmässigkeit der Aufteilung überhaupt beteiligen.
Obwohl die vorgeschlagene Lösung sich als eine gewisse Verbesserung gegenüber der ursprünglichen Auffassung der Aufteilung der zur Reaktion geführten Synthesegase hinter dem gemeinsamen Austauscher erwies, zeigte sich nun, dass die Ursachen der ungleichmässigen Belastung der einzelnen gleichlaufend arbeitenden Systeme keineswegs zur Gänze beseitigt wurden. Der Grund hiefür besteht darin, dass die Aufteilung des Hauptstromes der Synthesegase nach den einzelnen Parallelsystemen willkürlich erfolgt, ohne irgendeinen äusseren Eingriff, und bei den gegebenen Betriebsbedingungen lediglich durch die konstruktive Anordnung bzw. Dimensionierung bestimmt ist.
Die Erfindung beseitigt nun die angeführten Nachteile dadurch, dass die Druckverluste in den einzelnen selbständigen, in einem gemeinsamen Druckkörper des Reaktors gelagerten Parallelsystemen, von wel- chen ein jedes durch einen selbständigen Wärmeteilaustauscher mit einem dahinter eingereihten ein-oder mehrschichtigen Katalysatorbett gebildet ist, auf die erwünschten Werte durch Ein- oder Ausschaltung von örtlichen zusätzlichen hydraulischen Widerständen in bzw. aus den eintretenden Teilströmen des Synthesegasgemenges eingestellt werden, in die der Hauptstrom der frischen Gase vor deren Einführung in den Druckkörper des Reaktors aufgeteilt ist.
Somit werden entscheidend diejenigen Mengen der reagierenden, die selbständigen Katalysatorbetten der einzelnen Parallelsysteme durchstreichenden Gase geregelt und die erwünschte Raumgeschwindigkeit erzielt, die eine hohe und gleichmässige Ausnutzung der Kontaktmassefüllung als ein Ganzes sichert.
Die erfindungsgemässe Erzielung und Gewährung einer gleichmässigen Belastung der einzelnen selbständigen, gleichlaufend arbeitenden Katalysatorbetten gestaltet sich äusserst einfach und besteht in der Eingliederung der Regulierorgane in die einzelnen eintretenden Teilströme vor deren Einführung in den
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Reaktoreinsatz zwischen deren Eintritt in die selbständigen Wärmeteilaustauscher und der Aufteilungstelle des Hauptstromes. Durch Ein- und Ausschaltung der Regulierorgane, wie z. B. Regulierventile, in bzw. aus einzelnen Parallelsystemen kann leicht erreicht werden, dass alle Parallelsysteme denselben
Druckunterschied und daher denselben Durchsatz aufweisen, was besonders in solchen Fällen von Bedeu- tung ist, wo die einzelnen Parallelsysteme einander gleichen.
Es folgt ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung, worin ein Strömungsschema des erfindungsgemässen Reaktors veranschaulicht ist.
Im oberen Teil des Druckkörpers 1 des Reaktors ist ein vorderes selbständiges Katalysatorbett 2 und darunter ein hinteres selbständiges Katalysatorbett 3 gelagert. Im Unterteil des Druckkörpers 1 befindet sich ein innerer Teilaustauscher 4 und ein denselben umschliessender äusserer Wärmeteilaus- tauscher 5. Das vordere selbständige Katalysatorbett 2 ist mit einem kühlenden Rohrbündel 6 und der hintere selbständige Katalysatorraum mit einem wärmeaustauschenden Röhrenbündel 7 versehen.
Der dem Reaktor zugeführte Hauptstrom 6 des Synthesegasgemenges wird vor dem Eintritt in den Druck- körper 1 in zwei parallele Teilströme 9,10 aufgeteilt. Der eine Teilstrom 10 kann vor dem Eintritt in den Ofeneinsatz den Ringraum zwischen der Druckofenwandung und dem Einsatzmantel 16 durchströmen und somit die Innenwandung des Druckofens abkühlen. Der andere Teilstrom 9 führt zu dem äusseren selbständigen Teilaustauscher 5, in welchem er durch die den durchreagierten Gasen ent- zogene Wärme vorgewärmt wird, wonach er nach dem Austritt daraus zu einer weiteren Erhitzung in einem wärmeaustauschenden Röhrenbündel 7 geführt wird, der im unteren selbständigen Katalysatorraum 3 eingebaut ist.
Beim Durchfluss durch dieses Röhrenbündel 7 entzieht er die überschüssige Wärme aus dem Katalysatorraum 3 und beeinflusst darin auf diese Art und Weise den Verlauf der Betriebstemperaturen.
Mit der erwünschten Temperatur treten alsdann die Synthesegase in den Katalysatorraum 3, in welchem die Reaktion vollzogen wird, wonach sie nach der Beendigung des Prozesses dem heissen Zweig des inneren Teilaustauschers 4 zugeführt werden, worin die Synthesegase ihre Wärme an die kühleren, zur Reaktion geführten Gase abgeben. Ganz ähnlich wird der parallele Teilstrom des kalten Synthesegases 10 zunächst in einem selbständigen inneren Austauscher 4 erwärmt, wonach er in das System der Kühlelemente 6 im oberen selbständigen Katalysatorbett 2 überführt wird, damit er nach dem Vollzug der Reaktion in diesem Bett 2 dem heissen Zweig des äusseren selbständigen Austauschers 5 zugeleitet wird, worin er durch die Wärmeübergabe an die kühleren Gase im Gegenstrom abgekühlt wird.
Die aus den heissen Teilen der selbständigen Teilaustauscher 4,5 austretenden durchreagierten parallelen Teilströme 9,10 der Synthesegase werden wieder zu dem resultierenden Gesamtstrom 11 vereinigt, der aus dem Druckkörper 1 des Reaktors zur weiteren Verarbeitung im Synthesekreislauf herausgeführt wird.
Die Druckunterschiede der einzelnen selbständigen Parallelsysteme zwischen der Aufteilungsstelle 14 des Hauptstromes ausserhalb des Druckkörpers 1 des Reaktors und der Wiedervereinigungsstelle 15 der parallel gleichlaufenden Teilströme 9,10 innerhalb des Druckkörpers 1 des Reaktors sowie die Mächtigkeiten der Teilströme der diese Systeme durchstreichenden Synthesegase werden auf die erwünschten Werte vermittels Regulierventilen 12,13 eingestellt, die die einzelnen Parallelteilströme 9,10 vor deren Eintritt in den Druckkörper 1 des Reaktors bzw. in den in diesem Druckkörper 1 gelagerten Einsatz beherrschen.
Die Aufteilung des Hauptstromes 8 in die einzelnen Parallelteilströme 9,10 geschieht daher keineswegs willkürlich, sondern wird von der Eintrittsseite geregelt, wodurch die Gefahr einer ungleichmässigen Belastung der einzelnen selbständigen Parallelsysteme entfällt.
Gegenüber dem im Ausführungsbeispiel der Strömungsschaltung beschriebenen Falle, nach welchem sowohl die kalte als auch die heisse Seite desselben selbständigen Teilaustauschers verschiedene Parallelströme durchstreichen, kann es manchmal vorteilhaft sein, wenn die beiden Seiten desselben Austauschers derselbe selbständige Parallelstrom der Synthesegase passiert, der im kalten Teil vor dem Beginn der Reaktion erwärmt und im heissen Teil nach Beendigung des Prozesses abgekühlt wird.
Einen günstigen Umstand bei den geregelten selbständigen Teilströmen ergibt die Möglichkeit der Anwendung von Katalysatorbetten selbst verschiedener Gattung in den einzelnen selbständigen Parallelsystemen, die sowohl einschichtig als auch mehrschichtig, gekühlt oder adiabatisch arbeitend, mit den wärmeaustauschenden Elementen entlang der ganzen Länge des selbständigen Bettes oder nur in einem Teil desselben, gegebenenfalls in irgendwelchen Schichten desselben ausgeführt sein können, wobei durch die in der Katalysatorfüllung gelagerten wärmeaustauschenden Elemente entweder das im Reaktor verarbeitete Synthesegasgemenge oder ein der Reaktionsbestandteile bzw. auch ein fremdes Medium, u.
zw. sowohl im gasförmigen als auch flüssigen Zustand oder aber in Dampfform hindurchströmen können und die abgeführte über-
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schlüssige warme gegebenenfalls zur angeschlossenen Dampferzeugung in einem Kessel ausgenutzt werden könnte, der entweder innerhalb oder ausserhalb des Druckkörpers des Reaktors gelagert ist. Ein flüssiges Kühlmittel kann entweder direkt zur Dampferzeugung oder als wärmeübertragendes Druckmedium zur Abführung der entzogenen Wärme aus dem Druckkörper des Reaktors ausgenutzt werden.
Die wärmeaustauschenden Kühlelemente können als Systeme bzw. Bündel der geraden, einfachen oder doppelten Röhren ausgebildet werden, wobei solche Systeme in demselben parallelen Katalysatorbett hintereinander oder nebeneinander gereiht oder aber zu flachen oder räumlichen Spiralen, Schnecken, Rosten oder Gittern geformt werden können, die im Gleichstrom und/oder Gegenstrom vom Kühlmittel durchflossen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Durchführung von exothermen katalytischen Gasreaktionen bei höherem Druck und
EMI4.1
odernet, dass die Druckverluste der einzelnen selbständigen in einem gemeinsamen Druckkörper (1) gelagerten Parallelsysteme durch Ein- oder Ausschaltung von örtlichen zusätzlichen hydraulischen Widerständen in bzw. aus den eintretenden Teilströmen (9,10) eingestellt werden, in die der Hauptstrom (8) der Synthesegase vor deren Einführung in den Reaktoreinsatz aufgeteilt wird und auf diese Art und Weise im entscheidenden Masse diejenige Gasmenge geregelt wird, die die einzelnen Parallelsysteme durchstreicht und eine gleichmässige Belastung und Ausnutzung der selbständigen Katalysatorbetten (2,3) aufrechterhält, wobei gleichzeitig die Betriebstemperaturen in der Katalysatorfüllung geregelt werden.