DE1542499C3 - Gasdurchlässige Trennwand für die Katalysatorzone in Festbettreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gasdurchlässige Trennwand für die Katalysatorzone in Festbettreaktoren für heterogene katalytische Reaktionen in der Gasphase.

Ein Reaktor, in dem die erfindungsgemäße gasdurchlässige Trennwand angewendet werden kann, kann in der üblichen Art ausgeführt sein, wobei der Katalysator in einem zylindrischen Katalysatorbett untergebracht ist, das nach unten durch eine gasdurchlässige Wand abgegrenzt ist und durch welches das Reaktionsgas in axialer Richtung nach oben oder nach unten strömt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Trennwand die Form eines zylindrischen Druckmantels auf, der den Katalysator in einem zylindrischen Katalysatorbett enthält, das derart angeordnet ist, daß es vom Reaktionsgas in radialer Richtung durchströmt wird. Das Katalysatorbett ist also durch eine innere und eine äußere gasdurchlässige Trennwand abgegrenzt. Der Katalysator selbst kann im Reaktor, falls erwünscht, in zwei oder mehreren Katalysatorbetten untergebracht sein.

Gegenstand der Erfindung ist eine gasdurchlässige Trennwand für die Katalysatorzone in Festbettreaktoren für heterogene katalytische Reaktionen in der Gasphase, gekennzeichnet durch zwei parallele Flächen, die durch Abstandsstücke unter Ausbildung eines gasgefüllten Zwischenraums voneinander getrennt sind, wobei eine der parallelen Flächen eine Anzahl von Öffnungen enthält, deren Durchmesser und Zahl so bemessen sind, daß beim Gasdurchtritt ein geringstmöglicher Druckabfall auftritt, während die andere Fläche mit Öffnungen versehen ist, die so gewählt sind, daß beim Durchgang des Reaktionsgases durch den Reaktor über dieser Fläche ein Druckabfall eintritt, der gegenüber dem Druckabfall durch das Katalysatorbett erheblich ist.

Hierdurch wird der Tendenz, den Gasfluß durch das Katalysatorbett ungleichmäßig zu verteilen, entgegengewirkt, da eine solche ungleichmäßige Verteilung bewirken würde, daß der Druckabfall über der in Frage stehenden Fläche da am höchsten ist, wo die Gasgeschwindigkeit am höchsten ist, d. h. gegenüber den Stellen des Katalysatorbettes, wo der Druckabfall am kleinsten ist. Bekanntlich steigt der Druckabfall mit dem Quadrat der Geschwindigkeit.

In Reaktoren mit einer Gasdurchströmung in axialer Richtung findet die Erfindung mit Vorteil Anwendung, wenn das Verhältnis Höhe zu Durchmesser des Katalysatorbettes klein ist und damit die Neigung zu ungleichmäßiger Verteilung des Gasstromes am größten ist. Durch Verwendung der gasdurchlässigen Trennwand wird in solchen Fällen diese Neigung vermindert.
Die gasdurchlässige Trennwand gemäß der Erfindung wird aber auch mit größtem Vorteil in einem in radialer Richtung durchströmten Reaktor verwendet. Ein solcher Reaktor besteht aus einem zylindrischen Druckmantel, in dessen Innerem der Katalysator in einem zylindrischen Katalysatorbett untergebracht ist, durch welches das Reaktionsgas in radialer Richtung strömt. Das Katalysatorbett ist durch zwei zylindrische Wände, die den Durchgang des Reaktionsgases gestatten, begrenzt. In dieser Ausführungsform umfaßt mindestens eine der das Katalysatorbett begrenzenden zylindrischen Wände zwei konzentrische Flächen, die durch einen mit Gas gefüllten Raum voneinander getrennt sind, und beide mit Öffnungen versehen sind, die in einer der Flächen so gewählt sind, daß beim Durchgang des Reaktionsgases durch den Reaktor ein Druckabfall über der Wand erzielt wird, der im Verhältnis zum Druckabfall durch den Katalysator wesentlich höher ist.

Bei dieser Ausbildung des Reaktors werden alle Vorteile, die mit radialer Gasströmung durch das Katalysatorbett verbunden sind, erreicht, wobei gleichzeitig das Risiko einer ungleichmäßigen Verteilung des Gasstromes durch das Katalysatorbett, das den bekannten Reaktoren mit Radialströmung anhaftet, weitgehend vermieden wird.

Der über der gasdurchlässigen Trennwand erzielte Druckabfall liegt unter normalen Arbeitsbedingungen zwischen dem 0,1- und 2,0fachen, vorzugsweise 1,0fachen des Druckabfalles über dem Katalysatorbett.

Hierbei wird ein vorteilhafter Ausgleich zwischen der Leistung der gewünschten Abgleichung der Verteilung der Gasströmung und der Arbeitskosten erreicht, der durch den erhöhten totalen Druckabfall über dem Reaktor bewirkt wird.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der gasdurchlässigen Trennwand gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen den zwei Flächen gasdichte horizontale und/oder radial-vertikale Trennwände angeordnet sind. Auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung, d. h. die bessere Verteilung des Gasstromes durch das Katalysatorbett, in einer wirksameren Weise als beim Weglassen solcher gasdichten Trennwände gelöst. Die Trennwand kann jedoch ohne gasdichte Abtrennung des Zwischenraumes zwischen den Flächen ausgebildet sein, wenn dieser Raum eine solche Gestalt aufweist, daß die Strömung des Reaktionsgases entlang der Flächen innerhalb dieses Raumes einen gewissen, nicht unerhebli-

chen Druckabfall erzeugt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß dieser Zwischenraum entsprechend eng ist und, falls gewünscht, eine oder beide Flächen dieses Zwischenraumes gleichzeitig geriffelt oder gewellt sind.

Die Trennwand gemäß Erfindung, über der ein Druckabfall gewünscht ist, der verglichen mit dem Druckabfall über dem Katalysatorbett erheblich größer ist, kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein. Bei Reaktoren mit axialer Gasströmung sind beide Flächen normalerweise eben, während sie in zylindrischen Reaktoren zylindrisch und in sphärischen Reaktoren mit Radialströmung sphärisch sind. Bei den letztgenannten Reaktorarten ist es schwierig, eine gute Verteilung der Strömung zu erhalten, da es schwierig ist, die gleiche Packdichte für den Katalysator am Boden und auf der Oberseite der Katalysatorfüllung zu erreichen. Aus diesem Grunde ist die vorliegende Erfindung von besonderer Wichtigkeit für Reaktoren dieser Art.

Um den gewünschten Druckabfall zu bewirken, kann die in Frage stehende Fläche aus einer Platte mit einer entsprechenden Anzahl von Öffnungen bestehen. Runde Öffnungen haben sich als zweckmäßig erwiesen. Die Anzahl und die Größe dieser Öffnungen muß so gewählt sein, daß der gewünschte Druckabfall auftritt.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennwand wird der gewünschte Druckabfall durch entsprechende Düsen erreicht. Durch Verwendung von Düsen an Stelle von Öffnungen in der Fläche wird ein genauerer Druckabfall erzielt, was für die bestmögliche Verteilung des Gasstromes wichtig ist.

Die in Frage stehende Fläche kann jedoch auch jede andere Gestalt aufweisen, die den Durchgang des Gasstromes mit dem obengenannten Druckabfall gestattet. Die Fläche kann infolgedessen aus einem porösen Material, beispielsweise porösem keramischem oder gesintertem Stoff, bestehen.

Im folgenden wird der Gegenstand der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.

F i g. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch einen Reaktor mit nur einem Katalysatorbett;

F i g. 2 ist ein senkrechter Schnitt in vergrößertem Maßstab durch den Boden des Katalysatorbettes des in F i g. 1 dargestellten Reaktors;

F i g. 3 ist ein senkrechter Schnitt durch einen Reaktor mit mehreren Katalysatorbetten,·

F i g. 4 ist ein senkrechter Schnitt durch einen Ammoniakkonverter mit Radialströmung und

F i g. 5 und 6 sind axiale Schnitte durch zwei Ausführungsformen, die Einzelheiten der Wand des Katalysatorbettes im Reaktor gemäß F i g. 4 zeigen.

In F i g. 1 ist ein zylindrischer Behälter 1 mit konischem Oberteil 2 und Boden 3 dargestellt. 4 und 5 sind Rohrverbindungen zur Zuführung des Reaktionsgases und Entfernung des Reaktionsproduktes. Im Behälter 1 ist im Katalysatorbett 7 ein Katalysator untergebracht. Wie durch die Pfeile 6 angegeben, erfolgt der Eintritt des Reaktionsgases an der Oberseite des Katalysatorbettes 7. Am Austritt des Reaktionsproduktes ist das Katalysatorbett durch eine gasdurchlässige Wand 8 abgegrenzt.

F i g. 2 ist das Beispiel für eine Ausführungsform der Wand gemäß der Erfindung, bei der 9 eine Platte mit einer Anzahl von Öffnungen 10 ist. Diese Platte ist von einer anderen Platte II, die im Beispiel als poröse Platte dargestellt ist, durch Abstandsstücke 12 getrennt, derart, daß die Platten 9 und 11 zwei Flächen bilden, die durch einen gasgefüllten Zwischenraum 13 voneinander getrennt sind. Die Abstandsstücke 12 können gasdicht oder im wesentlichen gasdicht mit den Wänden 9 und 11 verbunden sein.·Die Öffnungen 10 sind so bemessen und in einer solchen Anzahl vorhanden, daß sie nur einen leichten Druckabfall beim Durchgang des Gases erzeugen, und sind vorzugsweise so ausgebildet, daß im Bettboden 9 der größtmögliche Gesamtöffnungsbereich erhalten wird, wobei das Gewicht und die Partikelgröße des Katalysators in Betracht gezogen werden. Falls erwünscht, können ein oder mehrere Netze oder Gitter 14 von entsprechendem Feinheitsgrad auf dem Oberteil der Platte 9 angebracht werden, so daß es möglich wird, große Öffnungen in der Platte 9 anzuordnen. Die Platte 11 sowie die Feinheit der Poren und die Dicke müssen derart sein, daß die Strömung des Reaktionsgases bei dessen Durchgang durch die Platte einen Druckabfall (Reibungsabfall) erleidet, der zwischen dem 0,1- und 2,0fachen, vorzugsweise 1,01'achen des Druckabfalls über dem Katalysatorbett liegt. Wenn diese Platte, wie im Beispiel gezeigt, aus einem porösen Material besteht, kann dieses, abhängig von den Verfahrensbedingungen, beispielsweise keramisch oder porös sein.

Das Katalysatorbett kann bedeckt oder unbedeckt sein, wobei entweder eine durchlöcherte Deckplatte, ein Netz oder Gitter, eine Schicht aus Kugeln oder Ringen aus schwerem Material oder irgendeine Deckschicht verwendet werden kann; die geeignet ist, die Bewegung der Katalysatorteilchen an der Oberfläche des Katalysatorbettes unter dem Einfluß des Gasstromes zu verhindern. In allen Fällen ist es wichtig, daß die Oberfläche des Katalysatorbettes glatt und das Katalysatorbett selbst über den ganzen Querschnitt des Reaktors überall gleichmäßig hoch ist.

Wenn der Gasstrom, wie durch die Pfeile 6 angegeben, von der Oberseite zugeführt wird, muß über dem Katalysator ein Raum 15 vorgesehen sein. Die Ausmaße dieses Raumes sind dabei so gewählt, daß sich der Gasstrom unter dem Einfluß des Druckabfalls im Katalysatorbett und dem Bettboden allein über das Ka_: talysatorbett gleichmäßig verteilt. Das Reaktionsgas strömt senkrecht durch das Katalysatorbett, in dem die gewünschte Konvertierung stattfindet. Während des Durchgangs durch das Bett erleidet das Gas einen gewissen Druckabfall, beispielsweise von 0,1 Atm. bis 1 Atm. Daraufhin wandert das Gas durch den Bettboden 8, wo, wie oben erwähnt, ein weiterer Druckabfall auftritt, das Reaktionsgas sammelt sich dann in einem Raum 16 unter dem Katalysatorbett und wird aus dem Reaktor durch die Rohrverbindung 5 entfernt.

Gemäß dem in F i g. 3 dargestellten Reaktor sind das Oberteil und der Boden als sphärische Segmente ausgebildet, und die Rohrverbindungen 4 und 5 befinden sich in der Wand des zylindrischen Behälters 1. Die Innenseite des Reaktors ist mit einem wärmdsolierenclen Überzug 17 bedeckt. Der Reaktor weist mehrere Katalysatorbetten auf, von denen jedes durch Bett boden 8 begrenzt ist, die wie in F i g. 2 dargestellt ausgeführt sein können. Über, jedem Katalysatorbett ist ein Zwischenraum 15. der die freie Verteilung des Gases sichert.

In dem in F i g. 1 sowie in F i g. i gezeigten Reaktor kann das Gas vom Boden nach oben strömen, anstalt von oben nach unten zu fließen.

In F i g.4 ist die Ausführungsl'oim eines Reaktors gezeigt, der für die Ammoniaksynthese mil einem Gemisch von Stickstoff und Wasserstoff beschickt werden

kann. 18 bezeichnet den Druckmantel des Reaktors, und 19 ist der Einlaß für das Gas am Oberteil des Reaktors. Wie durch die Pfeile 20 angezeigt, strömt das Gas in an sich bekannter Weise nach unten zum Boden des Reaktors entlang der Innenwand des Druckmantels 18 durch einen engen ringförmigen Raum 21. Ein zylindrischer Mantel 22 ist mit einem ebenen Oberteil 23 versehen und mit einer Isolierschicht bedeckt. Er trennt den Zwischenraum 21 vom Katalysator 24 und von einem Wärmeaustauscher 25. Am Boden strömt das Gas um die nach unten gekehrte Kante des zylindrischen Mantels 22 in den inneren Teil des Zylinders, dessen unterster Abschnitt durch den Wärmeaustauscher 25 ausgefüllt ist. Der Wärmeaustauscher ist mit Ablenkplatten 26 versehen, die sich abwechselnd vom Mantel nach innen und vom Mittelteil nach außen erstrecken. Der Hauptteil des Innenraumes des Wärmeaustauschers ist mit senkrechten Auslaßröhren für das ausströmende, mit Ammoniak angereicherte Gas ausgefüllt. Diese Auslaßröhren sind durch strichpunktierte Linien mit nach unten weisenden Pfeilen dargestellt und führen von einer im Mantel angeordneten Trennwand 28 zu der obersten Fläche eines Verbindungskastens 29, der sich am Boden des Druckmantels befindet. Aus diesem Kasten führt ein Auslaß 30 durch den Druckmantel ins Freie. Im Wärmeaustauscher strömt das Gas nach oben um die Ablenkplatten 26 und wird dabei mit den strichpunktiert gezeigten Auslaßröhren 27 in Kontakt gebracht. Im Mittelteil des Wärmeaustauschers ist ein Rohr 31 angeordnet, das bis in den obersten Teil des Wärmeaustauschers reicht. Das Rohr 31 dient zur Zuführung von kaltem Synthesegas, um das durch den Wärmeaustausch temperierte Gas auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten.

Aus dem Wärmeaustauschraum durchquert das Gas die Trennwand 28 durch ein Mittelrohr 32 und wird nach oben in das Innere des Katalysators geführt. Das Rohr 32 ist zweckmäßig mit Öffnungen versehen, die sich in dem Teil befinden, in dem das Rohr in den Katalysator hineinreicht. Durch diese Öffnungen tritt das Gas in das Katalysatorbett 24 ein. Dieses ist durch die äußere zylindrische Wand 36, das innere Rohr 32, den Boden 34 und die Decke 35 abgegrenzt. Die gasdurchlässige Wand 36, die sich am Gasaustritt des Katalysatorbettes befindet, umfaßt erfindungsgemäß zwei Flächen, die durch einen gasgefüllten Zwischenraum voneinander getrennt sind und die beide mit Öffnungen für den Durchgang des Reaktionsgases versehen sind.

Die Wand 36 kann in Abschnitte eingeteilt sein. Die F i g. 5 und 6 zeigen Beispiele von Ausbildungsformen solcher Teile.

In diesen Figuren ist mit 37 eine zylindrische Platte mit öffnungen 38 dargestellt, deren Größe so bemessen ist und die in einer solchen Anzahl vorhanden sind, daß der Durchgang des Gasstromes durch diese Platte keinen wesentlichen Druckabfall bewirkt. Die zylindrische Platte 37 ist links in F i g. 5 und 6 angeordnet. Die andere Wand besteht aus einer Platte 39, die in der dargestellten Ausführungsform mit einer geringen Anzahl von öffnungen 40 versehen ist, deren Größe so gewählt ist, daß beim Durchgang des Reaktionsgases ein Druckabfall erzeugt wird, der im Vergleich zum Druckabfall über dem Katalysator erheblich ist. Der Zwischenraum zwischen den beiden Wänden ist gasdicht durch die Wände 41 in Abschnitte geteilt. Die Wände 41 dienen gleichzeitig als Abstandsstücke für die Platten 37 und 39. Ihr Querschnitt ist wie in der Zeichnung dargestellt, und sie erstrecken sich um den gesamten Umfang der zylindrischen Flächen, wodurch eine bessere axiale Verteilung des Gases erzielt wird. Dieses Wandsystem kann ferner senkrechte Trennwände in dem Raum zwischen den zwei Flächen aufweisen, um die Abschnitte noch weiter zu unterteilen, wodurch auch eine verbesserte Verteilung des Gases über den horizontalen Querschnitt des Reaktors erreicht wird. In der zylindrischen Platte 39 können für jeden Abschnitt ein oder mehrere Öffnungen 40 vorgesehen sein. Gemäß der Ausführungsform in F i g. 6 ist jede Öffnung mit einer Düse 42 versehen, die den Strömungsbereich bestimmt und wodurch der Vorteil gegeben ist, daß der Strömungswiderstand genauer bestimmt werden kann als in dem Fall, in dem nur einfache Öffnungen verwendet werden. Die Düsen sind vorzugsweise derart angeordnet, daß das Gas, wenn es durch die Düsen strömt, eine zur Wand des Katalysatorbettes parallel verlaufende Geschwindigkeitskomponente erhält.

Wie durch Pfeile angezeigt, strömt das Gas ins Katalysatorbett durch die Öffnungen in den Teil des Rohres 32, der sich in das Katalysatorbett erstreckt, heraus, durch das Katalysatorbett und die Wand 36, worauf es dann nach unten durch den engen ringförmigen Raum zwischen dem Mantel 21 und dem Katalysatorbett geführt wird. Von hier fließt es durch die Auslaßöffnungen 27 und den Auslaß 30. Die Strömungsrichtung durch die Wände 36 kann jedoch auch genau entgegengesetzt sein, so daß das Gas aus dem ringförmigen Zwischenraum, der das Katalysatorbett umgibt, durch die Wand 36, das Katalysatorbett 24 und durch das Rohr 32 nach außen strömt. Der Verteilungseffekt, der durch die beschriebene Form der zylindrischen Wand des Katalysatorbettes erzielt wird, wird durch diese Änderung der Strömungsrichtung nicht beeinflußt.

Um eine streuende Strömung durch den obersten Teil des Katalysatorbettes zu verhindern, beispielsweise dann, wenn die Katalysatorfüllung geschrumpft ist, so daß sie nicht genau die Oberkante des Katalysatorbettes erreicht, kann, wie in Fi g. 4 gezeigt, die Decke des Katalysatorbettes mit einer zylindrischen Wand 43 versehen werden, die in das Katalysatorbett hineinreicht. Damit wird eine Vorsichtsmaßnahme getroffen, die dem Einfluß des Schrumpfens des Katalysators während des Verfahrens entgegenwirkt. Die Ausführungsform der zylindrischen Wand gemäß den F i g. 5 und 6 kann in ähnlicher Weise als Boden in den Reaktoren gemäß den F i g. 1 und 3 verwendet werden, genauso wie der in Fig.2 dargestellte Boden mit entsprechenden Änderungen im Reaktor gemäß F i g. 4 eingesetzt werden kann.

Die gasdurchlässige Trennwand gemäß der Erfindung kann auch in anderen Reaktoren als die oben beschriebenen verwendet werden, z. B. in einem zylindrischen Reaktor mit radialer Strömungsrichtung, bei dem der Katalysator in zwei oder mehr getrennten Katalysatorbetten untergebracht ist oder in. einem sphärischen Reaktor. Für jede Ausführungsform des Reaktors kann die gasdurchlässige Trennwand dazu benutzt werden, das Katalysatorbett am Gaseintritt und/oder am Gasaustritt zu begrenzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gasdurchlässige Trennwand für die Katalysatorzone in Festbettreaktoren für heterogene katalytische Reaktionen in der Gasphase, gekennzeichnet durch zwei parallele Flächen (9, 11 und 37, 39), die durch Abstandsstücke (12, 41) unter Ausbildung eines gasgefüllten Zwischenraumes (13. 45) voneinander getrennt sind, wobei eine der parallelen Flächen (9,37) eine Anzahl von Öffnungen (10. 38) enthält, deren Durchmesser und Zahl so bemessen sind, daß beim Gasdurchtritt ein geringstmöglicher Druckabfall auftritt, während die andere Fläche (11, 39) mit Öffnungen versehen ist, die so gewählt sind, daß beim Durchgang des Reaktionsgases durch den Reaktor über dieser Fläche ein Druckabfali eintritt, der gegenüber dem Druckabfall durch das Katalysatorbett erheblich ist.

2. Gasdurchlässige Trennwand nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die zylindrische und konzentrische Anordnung der parallelen Flächen (37,39).

3. Gasdurchlässige Trennwand nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch gasdichte Abstandsstücke (12, 41) zwischen den parallelen Flächen (9, 11, 37, 39).

4. Gasdurchlässige Trennwand nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch düsenförmige Öffnungen (42) in der Wand (39).

5. Gasdurchlässige Trennwand nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine poröse, gasdurchlässige Fläche (11,39), in welcher der Druckabfall eintritt.