DE1259850B

DE1259850B - Reaktionsapparat mit Fuellkoerpern

Info

Publication number: DE1259850B
Application number: DES94051A
Authority: DE
Inventors: Jan Sellin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1964-11-05
Filing date: 1964-11-05
Publication date: 1968-02-01
Also published as: US3431082A; GB1088517A; BE663901A; CH447123A; NL145150B; AT254828B; NL6505931A; SE327971B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

BOIj

Deutsche Kl.: 12 g-1/01

1 259 850
S 94051IV a/12 g
5. November 1964
1. Februar 1968

Die Erfindung richtet sich auf einen Reaktionsapparat, in welchem Füllkörper mittels Halterungselementen regelmäßig angeordnet sind.

Reaktionsapparate, die ein sogenanntes ruhendes Füllkörperbett enthalten, werden in der chemischen Technik vielfältig verwendet. Die Füllkörper können hierbei oft gleichzeitig mehrere Funktionen erfüllen und beispielsweise absorbierend, strömungslenkend, wärmespeichernd oder auch katalytisch wirken. Dazu wurden im Laufe der Zeit sowohl hinsichtlich ihrer äußeren Form als auch bezüglich ihrer Materialzusammensetzung ungezählte Varianten entwickelt. Für Reaktionsrohre kommen hauptsächlich Brocken, Kugeln, Tabletten oder Ringe in Betracht.

Die Anordnung der Füllkörper kann einen Verfahrensablauf sehr wesentlich beeinflussen und muß sich beispielsweise nach den gewünschten Durchströmungsgeschwindigkeiten, Verweilzeiten, Wärmespeicherwerten, Katalysatoroberflächen u. dgl. richten.

Von besonderem Einfluß ist die Art und Weise der Anordnung der Füllkörper auf die mechanische Beanspruchung der Reaktionsapparatwände und eventuellen Einbauten sowie auf die Füllkörper selbst. Wenn die Füllkörper in freier Schüttung eingebracht sind, was bei Rohren mit relativ geringem Durchmesser fast immer der Fall ist, ergeben sich nämlich zusätzliche Beanspruchungen der Rohrwände insofern, als in Abhängigkeit vom Böschungswinkel des betreffenden Schüttgutes beträchtliche Horizontalkräfte auf die Rohrwandungen ausgeübt werden. Außerdem werden die unteren Füllkörper durch das Eigengewicht der oberen Füllkörper erheblich belastet und können durch Temperaturunterschiede bedingte Bewegungen nicht ungehindert ausführen. Diese Schwierigkeiten sind naturgemäß um so größer, je größer die Schütthöhen, je enger die Rohre und je stärker und häufiger die vorkommenden Temperaturschwankungen sind. Dabei spielt auch das Verhältnis des Rohrdurchmessers zum Füllkörperdurchmesser eine wesentliche Rolle.

Infolge der bei jedem Temperaturwechsel auftretenden Bewegungen bleibt das Füllkörperbett nicht im ursprünglichen Zustand, sondern die lose eingeschütteten Füllkörper rutschen nach und nach immer dichter zusammen und verklemmen sich dabei gegenseitig und gegen die Rohrwände oder sonstigen Einbauten derart, daß schließlich überhaupt keine Ausdehnung innerhalb der FüUkörperschüttung mehr möglich ist, weil sich ein starres Füllkörperpaket gebildethat. Bei daraufhin nachfolgenden Temperaturwechseln tritt dann eine Aufweitung der Rohrwandungen ein, bzw. die ursprünglich meistens mit Hohl-Reaktionsapparat mit Füllkörpern

Anmelder:

Jan Sellin, Monthey (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. J. Meinke, Patentanwalt,

4600 Dortmund, Westenhellweg 67

Als Erfinder benannt:

Jan Sellin, Monthey (Schweiz)

räumen versehenen Füllkörper werden zersplittert

ao und zerstoßen und verlieren damit ihre ursprünglichen Eigenschaften. Bei entsprechend häufigen Temperaturwechseln können die vorgeschilderten Erscheinungen bis zur Zerstörung der Rohrwandung führen.
Durch das Zusammenbacken der Füllkörper wird hierbei der Verfahrensablauf im Reaktionsrohr zunächst beträchtlich verfälscht und kann schließlich ganz unterbunden werden, wenn nämlich der in der zusammengebackenen Füllkörpermasse auftretende Druckverlust das noch zulässige Maß übersteigt.

Die vorgeschilderten Erscheinungen sind naturgemäß besonders gravierend bei zyklisch arbeitenden Anlagen, bei denen es beispielsweise vorkommt, daß in Abständen von wenigen Minuten die gesamten Füllkörpermassen mit bis zu 400° C Temperaturdifferenz aufgeheizt und wieder abgekühlt werden, wobei bei derartigen Prozessen oftmals hochempfindliche Katalysatorfüllkörper benötigt werden, die gegenüber dem vorgeschilderten Zerstörungsprozeß besonders anfällig sind. Bei derartigen Anlagen ist es daher erforderlich, in relativ kurzen Zeitabständen das gesamte Katalysatorfüllkörpermaterial auszuwechseln bzw. den aufgetretenen Abrieb auszusieben und durch neues Katalysatormaterial zu ersetzen. Der hierbei auftretende Aufwand an Arbeitszeit und Katalysatormaterial sowie der mit diesen Arbeiten verbundene Produktionsausfall ist bei für derartige Verfahren verwendeten Röhrenofen außerordentlich hoch und bestimmt maßgeblich die Rentabilität des ganzen Verfahrens.

Nun sind bereits Konstruktionen bekanntgeworden, welche bezüglich der vorgeschilderten Nachteile Abhilfe schaffen sollen. So ist es bereits bekannt, eine

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Reihe von Zwischenboden vorzusehen, auf denen körper erhebliph belastet und. können äuFeh Tempgjeweils eine Füllkörperschicht angeordnet ist. Die raturunterschiede bedingte Bewegungen nicht ungevorgeschilderten Schwierigkeiten werden hierdurch hindert ausführen, zuniäl die einzelnen Füllkörper zwar gemildert, bleiben jedoch grundsätzlich be- nicht nur perlenartig übereinandergereiht sind, sonstehen, abgesehen davon, daß die Einbringung und 5 dern auch dicht nebeneinander angeordnet sind, so der Austausch der Füllkörper bei Verwendung der- daß auch hier die vorgeschilderten ungünstigen Beartiger Zwischenboden beträchtliche Schwierigkeiten einflussungen der Füllkörper untereinander sowie macht, speziell bei engen Rohrquerschnitten. benachbarter Rphrwandungen auftreten. Auch wür-Ferner ist es bereits bekannt, Füllkörper oder d§n dig dortigen stangen-, ketten- oder drahtförmigen Katalysatoren nicht mehr lose im Rohrinneren anzu- io Tragelemente bei auf sehr hohe Temperaturen beordnen, sondern als Überzug auf die Rohrinnenwand anspruchten Röhrenofen ungeeignet sein, da deraufzubringen bzw. einzelne Katalysatorfüllkörper artige Elemente sehr schnell verzundern würden, beispielsweise durch Einbacken mit der Rohrinnen- Außerdem hat die perlenartige Aneinanderreihung wand zu verbinden. Dieser Vorschlag bringt jedoch der Füllkörper den großen Nachteil, daß diese prakein sehr teures Rohrherstellungsverfahren mit sich 15 tisch nur für kugelige Füllkörper angewendet werden und ist im übrigen nur bei relativ geringen Rohr- kann, da bei anderer Formgebung, insbesondere den durchmessern bzw. Ringspalten bei Verwendung von meistens, zur Anwendung kommenden raschigring-Gegenstromrohren anwendbar, da sonst die in der artigen Füllkörpern die Wirksamkeit eines beträcht-Mitte passierenden Hauptgasmengen von den nur liehen Teils der Oberflächen der Ftillkprper verlorenin bzw. an der Rohrwand sitzenden Katalysatoren 20 ginge,, bei Ra§gh.igrjngen beispielsweise sämtlicher nicht ausreichend beeinflußt werden. Außerdem ist Stirnflächen derselben, da digse dann gegeneinanderdie letztgenannte Lösung bei höheren Arbeitsdrücken lägen, was eine entscheidende Wirkungsgradverminim Rohr wegen der durch die Füllkörpereinbettung derung mjt sich bringen würde, abgesehen, davon, fertigkeitsmäßig geschwächten Rohre nicht verwend- daß im Inneren der sieb, zu Rohren addierenden bar. 25 Ringe eine glatte Durchströmung stattfinden würde, Weiterhin hat man bereits vorgesehlagen, das Füll- ohne die meist gewünschte intensive Durchwirbelung gut elastisch nachgiebig zu machen, indem man die der Reaktionsmedien. Andererseits erlaubt die perlen-Füllkörper mit Stäiilfedern spezieller Formgebung artige Aneinanderreihung auch nur die Verwendung gemischt hat. Sodann hat man Füllkörper in kleinen vp.n durchbohrten Füllkörpern, was bei manchen Stahlkörben angeordnet und perforierte schiefe Gleit- 30 Katalysato.rmaterialie.n ebenfalls von Nachteil sein bahnen in der Füilkörperschicht vorgesehen, auf kann.

denen die Füllkörper beim Abkühlen und Zusammen- Schließlich i§t noeh eine Einrichtung zum Einbauen ziehen der Rohrwände von diesen zurückgeschoben röhrenförmig, zylindrisch oder prismatisch gestalteter werden sollten. Alle diese Versuche haben sich jedoch Füllkörper in zum Wärmeaustausch pder zur Herbeäebenfalls nicht als zufriedenstellend erwiesen. Die 35 führung vgn Reaktionen, Absorptipnen od. dgl. beunter die Füllkörper gemischten Stahlfedern verlieren stimmte. Räume bekannt, wobei die Füllkörper durch bei höheren Arbeitstemperaturen ihre Elastizität. Die gegebenenfalls in verschiedenen Höhen angebrachte Korbeinsätze werden ebenfalls nach relativ kurzer Stäbe, die in Öffnungen oder Einschnitte der Füll-Betriebszeit deformiert, und die vorgeschlagenen körper eingreifen Qder durch diese hindurchtreten, Gleitbahnen verziehen sich unter der Temperatur- 40 mit den daneben befindlichen Füllkörpern verbunden beanspruchung derart, daß sie ihre vorgesehenen sind. Bei diesen Füllkö.rpern handelte es sieh jedoch Funktionen nicht erfüllen. nicht um solche im Sinne der vorliegenden Erfindung, Auch ist es bereits bekannt, zwischen Füllkörper- nämlich um Füllkörper relativ kleiner Abmessungen schichten und Rohrwandungen kurze zusätzliche im Verhältnis zum Reaktionsraum, die in praktisch Rohrstücke einzuschalten, um die bei Temperatur- 45 den gesamten ReaktiQnsraum ausfüllender Weise wechseln auftretenden Bewegungen zwischen Füll- inj Reaktiqnsraym angeordnet sind, sondern prakkörper und Rohrwand ohne Beanspruchung der tisph um eine Art Konstruktionselemente des Reak-Rohrwandung zu ermöglichen. Diese zusätzlichen tiansraumes selber. Zudem ist auch hier wieder der Rohrabschnitte vermögen jedoch die Zerstörung der grundlegende Nachteil gegeben, daß die einzelnen Füllkörper nicht zu verhindern und beeinträchtigen 50 Füllkörper übereinander über die ganze Höhe des den Wärmedurchgang durch die Rohrwandungen Reaktionsraumes angeordnet sind, derart, daß die beträchtlich und sind daher insbesondere für Rohre unteren Füllkörper das Eigengewicht der oberen mit kleinerem Durchmesser und Verfahren mit Füllkörper zu tragen haben, womit wieder die vorWärmezufuhr oder -abnähme durch die Rohrwand stehend bereits geschilderten Nachteile verbunden nicht brauchbar. 55 sind. Vor allem aber sind die bei der bekannten Sodann ist eine Vorrichtung zur Verteilung von Einrichtung aus Stabilitätsgründen erforderliehen Flüssigkeiten in Füllkörpersäulen für Destillations- Verbindungselemente zwischen den einzelnen Füllkolonnen, Waschtürme, Reaktionsapparate od. dgl. körpern den Zwecken der vorliegenden Erfindung bekanntgeworden, wobei die Füllkörper perlenartig direkt entgegenstehend, da eine derartige Verbindung an Stangen, Ketten, Drähten od. dgl. aneinander- 60 und damit Beeinflussung der einzelnen Füllkörper gereiht sind und durch dichte Nebeneinanderordnung untereinander ja gerade nicht gewünscht ist. dieser einzelnen Füllkörperreihen in möglichst glei- Zur Vermeidung aller vorgeschilderten Nachteile chem Abstand voneinander der ganze Reaktionsraum wird daher für einen Reaktionsapparat der eingangs ausgefüllt ist. Auch hierbei treten jedoch noch zu- geschilderten Art gemäß der Erfindung vorgeschlagen, mindest teilweise die vorstehend bereits erörterten 65 daß jeder einzelne Füllkörper von einem Halterungs-Naehteile auf. So werden die an den einzelnen Stan- element mit genügendem Raum zur allseitigen gen, Ketten, Drähten; od. dgl. hängenden unteren Wärmedehnung in einer vorbestimmten Lage gehalten Füllkörper durch das Eigengewicht der oberen Füll- ist, wobei alle Halterungselemente bei Gegenstrom-

rohren an der Außenfläche des Innenrohres oder bei einfachen Rohren an einem stabförmigen, axial im Rohr angeordneten Einsatz befestigt sind.

Auf Grund dieser Ausbildung erhält jeder einzelne Füllkörper genügenden Raum zur Wärmedehnung und kann nie eingeklemmt und damit zerstört werden. Die erfindungsgemäß völlig von den Füllkörpern getrennte und damit von diesen unbelastete, temperaturmäßig jedoch am stärksten belastete äußere Reaktionsapparatewandung kann sich sowohl in Umf angsrichtung als auch in Längsrichtung entsprechend den auftretenden Temperaturschwankungen dehnen bzw. zusammenziehen, ohne in irgendeiner Weise durch das Füllmaterial behindert zu sein. Die bisher insbesondere bei den Rohren von Röhrenofen durch Zusammenbacken des Füllkörpermaterials möglichen Aufweitungen und schließlich Zerstörungen des Rohrmantels werden damit vollständig ausgeschaltet. Schließlich wird durch die regelmäßige und genau festgelegte und bleibende Anordnung der Füllkörper gemäß der Erfindung sichergestellt, daß an allen Stellen des Reaktionsapparates gleiche Strömungsverhältnisse vorliegen, wodurch der Verfahrensablauf in den betreffenden Reaktionsapparaten naturgemäß besonders vorteilhaft beeinflußt wird.

Eine besonders vorteilhafte und einfache Ausführung ergibt sich, wenn man die Halterungselemente für die Füllkörper als metallische Stifte ausbildet, Welche bei Gegenstromrohren am Innenrohr bzw. bei einfachen Rohren am stabförmigen Einsatz angeschweißt sind und auf die ein oder mehrere ringförmige Füllkörper aufschiebbar sind. Die hierbei vc>n jedem einzelnen Tragstift aufzunehmenden Lasten sind derart minimal, daß relativ dünne Drahtstifte aus entsprechend hitzebeständigem Edelstahl verwendet werden können, ohne daß Verbiegungen derselben zu befürchten sind. Die Anbringung derartiger Tragstifte ist mittels moderner Punktschweißpistolen schnell und einfach möglich, und das Aufsetzen bzw. Auffädeln der einzelnen Füllkörper auf die Tragstifte kann ebenfalls in relativ kurzer Zeit geschehen. Jedenfalls steht der hiermit verbundene Mehraufwand in gar keinem Verhältnis zu den mit der erfindungsgemäßen Ausbildung verbundenen vorgeschilderten Vorteilen.

Natürlich kann man die Halterungselemente auch als Tragelemente ausbilden, auf denen die Füllkörper frei aufliegen, wobei man die Tragelemente dann zweckmäßig aus mehreren Stützrippen od. dgl. bildet, zwischen denen jeweils Spalte zum Hindurchströmen der Reaktionsmedien verbleiben.

Zweckmäßig kann man die Halterungselemente zum Innenrohr bzw. stabförmigen Einsatz leicht abwärts geneigt befestigen, da hierdurch eine stabilere Anordnung der Füllkörper an den Halterungselementen erreicht wird.

Weiterhin kann man die einzelnen Füllkörper mit sich zur Rohraußenwand hin konisch erweiternder Form ausbilden bzw. bei Zuordnung von mehreren Füllkörpern zu den einzelnen Halterungselementen diese mit zunehmendem radialem Abstand entsprechend größer ausbilden, derart, daß die Zwischenräume zwischen den einzelnen Füllkörpern in Umfangsrichtung etwa gleichbleiben.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

F i g. 1 eine Seitenansicht auf am Innenrohr einer Gegenstromrohreinheit gemäß der Erfindung befestigte Füllkörper, wobei das Außenrohr fortgelassen ist,

F i g. 2 einen Vertikalschnitt längs der Linie I-I der F i g. 1 mit Außenrohr,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch die Anordnung gemäß F i g. 1 und 2,

Fig. 4 abgewandelte Füllkörperausbildungen mit zugeordneten Tragstiften in perspektivischer Darstellung,

ίο F i g. 5 eine F i g. 1 ähnliche Seitenansicht, welche eine abgeänderte Füllkörper- und Halterungselementausbildung wiedergibt,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 5,

Fig. 7 eine Fig. 1 und 5 ähnliche Seitenansicht, welche eine weitere Variante der Füllkörper- und Halterungselementausbildung wiedergibt, und in

Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 7.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines sogenannten Gegenstromrohres erläutert, bei welchem die Erfindung mit besonderem Vorteil verwendet werden kann, da hierbei das ohnehin vorhandene Innenrohr derartiger Gegenstromrohre zur Befestigung der Halterungselemente für die einzelnen Füllkörper benutzt werden kann. Selbstverständlich ist die Erfindung aber auch für einfache Rohre oder ähnliche Reaktionsapparate verwendbar, wobei es dann allerdings erforderlich ist, einen besonderen stab- oder rohrförmigen Einsatz zur Befestigung der Halterungselemente an Stelle des bei Gegenstromrohren ohnehin vorhandenen Innenrohres zu verwenden.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wiedergegeben, wobei am Innenrohr 2 einer Gegenstromrohreinheit metallische Tragstifte 3 befestigt sind, und zwar in regelmäßiger geometrischer Anordnung, derart, daß sich regelmäßige Zwischenräume zwischen auf die Tragstifte 3 aufgeschobenen ringförmigen Füllkörpern 4 ergeben. Bei dem in den Fig. 1 bis 3 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel sind auf jeden Tragstift 3 zwei ringförmige Füllkörper 4 aufgeschoben, wobei die in radialer Richtung äußeren Füllkörper einen größeren Durchmesser aufweisen, derart, daß die Abstände zwischen den einzelnen Füllkörpern in Umfangsrichtung etwa gleichbleiben. Natürlich kann man in Abhängigkeit von der Größe des Ringspaltes zwischen Innenrohr 2 und Außenrohr 1 auch weitere oder nur einen Füllkörper auf jeden Tragstift aufsetzen. Ferner kann man die einzelnen Füllkörper zur Außenwand hin sich konisch erweiternd ausbilden, um eine noch bessere Raumausnutzung sowie noch gleichmäßigere Strömungsverhältnisse durch gleichbleibende Zwischenräume zwischen den einzelnen Füllkörpern in Umfangsrichtung zu erzielen.

Wie F i g. 4 zeigt, können auf Grund der erfindungsgemäßen Anordnung die einzelnen Füllkörper Aa besondere, die Wirkung der Füllkörper erhöhende Formgebungen derselben gewählt werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß diese Füllkörper auf Grund ihrer radialen oder axialen Bohrungen od. dgl. zerstört werden. Auch profilierte Tragstifte 3 α sind verwendbar.

Die in den F i g. 5 bis 8 wiedergegebenen Ausführungsformen sind im Prinzip der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 4 gleich. Die Füllkörper 4b bzw. 4 c sind lediglich an Stelle der ringförmigen Füll-

körper 4 bei der Ausbildung gemäß den Fig. 1 bis 4 kugel- oder walzenförmig ausgebildet und liegen auf entsprechend ausgebildeten, an dem Innenrohr 2 befestigten Tragelementen 3 b bzw. 3 c auf.

Natürlich sind weitere Abwandlungen der Formen der Verwendung findenden Füllkörper sowie der diese tragenden Halterungselemente möglich. Wesentlich ist lediglich, daß jeder einzelne Füllkörper durch die Art seiner Abstützung in einer vorbestimmten Lage gehalten wird und ausreichenden Raum zu temperaturbedingten Bewegungen erhält und daß die äußere Reaktionsapparatwandung unbelastet bleibt, so daß diese durch die Vorsehung der Füllkörper nicht zusätzlich in Anspruch genommen wird und nötigenfalls auch der Einsatz solcher Füllkörpermaterialien möglich wird, die chemisch oder physikalisch aggressiv auf den Wandungswerkstoff wirken. Zur absolut sicheren Abschirmung der Füllkörper gegen die äußere Wandung kann man hier auch Schutzkappen aus neutralem Material an den äußeren Enden der Halterungselemente anordnen. Naturgemäß wird hierdurch die Verwendung hochempfindlicher Werkstoffe, z. B. Keramik oder Quarz, für bestimmte Sonderzwecke besonders erleichtert oder in vielen Fällen erst möglich, da diese den bei freier Schüttung von Füllkörpern auftretenden vorgeschilderten Beanspruchungen besonders schlecht zu widerstehen vermögen.

Claims

Patentansprüche:

1. Reaktionsapparat, in welchem Füllkörper mittels Halterungselementen regelmäßig angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Füllkörper (4) von einem Haiterungselement (3) mit genügendem Raum zur allseitigen Wärmedehnung in einer vorbestimmten Lage gehalten ist, wobei alle Halterungselemente bei Gegenstromrohren (1, 2) an der Außenfläche des Innenrohres (2) oder bei einfachen Rohren an einem stabförmigen axial im Rohr angeordneten Einsatz befestigt sind.

2. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungselemente als metallische Stifte (3) ausgebildet sind, welche am Innenrohr (2) bzw. stabförmigen Einsatz angeschweißt sind und auf die ein oder mehrere ringförmige Füllkörper (4) aufschiebbar sind.

3. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungselemente als Tragelemente (3 b, 3 c) ausgebildet sind, auf denen Füllkörper (4 b, 4 c) frei aufliegen.

4. Reaktionsapparat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungselemente (3) zum Innenrohr (2) bzw. stabförmigen Einsatz leicht abwärts geneigt befestigt sind.

5. Reaktionsapparat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Füllkörper zur Rohraußenwandung hin eine sich konisch erweiternde Form aufweisen.

6. Reaktionsapparat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Zuordnung von mehreren Füllkörpern (4) zu den einzelnen Halterungselementen (3) diese mit zunehmendem radialem Abstand entsprechend größere Abmessungen aufweisen, derart, daß die Zwischenräume zwischen den einzelnen Füllkörpern (4) in Umfangsrichtung etwa gleichbleiben.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 822 085, 216 342.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen