DE1542531A1 - Synthesereaktor mit Temperaturregelungseinrichtung fuer die Katalysatorschicht - Google Patents
Synthesereaktor mit Temperaturregelungseinrichtung fuer die KatalysatorschichtInfo
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Description
FEINSPtECHEII1 (0611) 555061
TELEGRAMME! LOMOSAPAtENT
LANDESZENTRALBANK 4/951
DRESDNER BANK FFM., Nr. 524742
POSTSCHECK.KONTO FFM. 1667
III/K FRANKFÜRT (MAIH)1?»Juli 1966
Ho «.12-32, 1-chome, Fishihonmachi, Ube-shi, Yamaguchi-ken,.
Japan* .
Synthesereaktor mit Temperaturregelungseirixichtung für
die Katalysatorschichte
Die Erfindung bezieht sich auf die Regelung der Temperatur
der Katalysatorschicht bzw· des Katalyseraums in Anlagen
zur Durchführung exothermer Synthesereaktionen, bei denen, z.B« bei der Ammoniak- oder Methanolsynthese, ein Katalysator
bei hoher Temperatur und hohem Druck angewendet wird»
Bei S^nthesereaktoren für diese Zwecke werden aur Abführung
der bei der Reaktion entstehenden Wärme zwei Verfahren angewendet, nämlich der äussere Wärmeaustausch oder der innere
Wärmeaustausch*
Reaktoren mit äusserem Wärmeaustausch haben einen komplizierten Aufbau, da ein selbständiges, an der Umsetzung nicht teilnehmendes Wärmeübertragungsmittel durch den Reaktor geführt
werden muss« Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Temperatur der Katalysatorschicht vor Einwirken des Kühlmittels
übermässig ansteigt und nach Einwirken des Kühlmittels über-
massig absinkt. 009841/1424
8AD ORIGINAL·
Reaktoren mit'innerem Wärmeaustausch zeigen Schwierigkeiten
bei der Temperaturregulierung., da das isotherm· Arbeiten der Katalysatorschicht gewährleistet sein'soll»
Z.B. bei der Ammoniaksynthese sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit
fortschreitend mit dem Ansteigen der Ammoniakkonzentration, und infolgedessen sinkt die pro Mengeneinheit des
Katalysators erzeugte Wärmemenge« Im Eingangsteil des Katalyseraums wird also eine grosse Wärmemenge erzeugt, und es
erfolgt ein scharfer Temperaturanstieg» Im Ausgangsteil hingegen
ist die Wärmeentwicklung beschränkt, und die Temperatur steigt nur langsam· Um eine isotherme Reaktion durchzuführen,
muss also der Wärmeaustausch bzw*, die Kühlwirkung im Eingangsteil
verstärkt und später, besonders im Ausgangsteil t
abgeschwächt oder sogar unterbunden werden können*
der Hierzu werden zwei Me-thoden angewendet. Nach/einen lässt man
!Frischgas zur Kühlung parallel mit dem umgesetzten Gas fliessen, nach der anderen lässt man diese Gase im Gegenstrom
fliessen· Bei Parallelfluss steigt dieTemperatur im Ausgangsteil des Katalyseraums. Unter Berücksichtigung der
Reaktionsgeschwindigkeit und der Gleichgewichtskonzentration ist es jedoch erwünscht, dass mit steigender Ammoniakkonzentifttion
die Temperatur erniedrigt wird. Bei Gegenstromfluss kann die Temperatur im Eingangsteil so hoch ansteigen, dass;
der Katalysator geschädigt wird* Im Ausgangsteil hingegen
.kann die Temperatur soweit absinken, dass die erforderliche Reaktionstemperatur nicht mehr erreicht wird»
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-ν.
Aufgabe der Erfindung ist, die vorstehenden Schwierigkeiten
zu beheben und katalytisch^ Synthesereaktionen der genannten
Art mit besswrem Wirkungsgrad durchzuführen*
Zur Erläuterung der Erfindung wird das in den Zeichnungen
dargestellte Ausführungsbeispiel eines Synthesereaktors mit Einrichtung zur Temperaturregulierung der Katalysatorschient
beschrieben· -
. Pig*1 ist ein ffertikalschnitt eines Synthesereaktors, der für
die Ammoniaksynthese verwendet werden kann«.
2ig*2 ist ein Schnitt nach der Linie A,.-Α* der Fig*1*
iig*5 zeigt in graphischer Darstellung die Kurven der Temperaturänderung
der Katalysatorschicht*
Der Reaktor hat einen Aussenzylinder 1 und einen Innenzylinder 2»
Zwischen beiden besteht der Ringraum 3* Das obere Ende des Außsenzylinders 1 imtvon dem Deckel 4 dicht verschlossen.
Hahe am oberen Ende des Aussenzylinders Λ ist ein Einlass 5
für irischgas zur Kühlung des Aussenzylinders 1 vorgesehen·
■ ■ ο .
Der Haupteinlass für das Erischgas befindet sich nahe am
Der Haupteinlass für das Erischgas befindet sich nahe am
Boden des Aussenzylinders 1· .
Ein Abstandsring 8 mit vielen kleinen Bohrungen 7 ist im
Eingraum ρ am oberen Ende des Innenzylinders 2 angeordnet*
Der Innenzylindör 2 ist unterteilt in den Reaktionsraum 9 im
oberen Teil und dem Wärmeaustauschraum 1o im unteren Teil«
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Di.= ; c cere Zr_O« des Irjaenz^ ■ linders 2 ist von der γ/ärmeisolieronden
jriaLte 11 abgeschlossen.« Zwischen dem Eeaktionsr-rji;n
9 und dem Wärme au ε τ; aus ehr auin Io sind die Fentilations—
ksjcju-j:.·?. 1>
1^d Vi- angeordnet, Arn unteren lünde der Wärmeausti3U3Cuk.air.riF;r
1o und unuirhalb des Inrienzyllnders 2 ist die ·
7cnLil6tionskai"iiiQer 15 'umgeordnet · Der Eingabst and 16 zxw.
r 1 dient als Hauptdurchgaiigsv/eg für das frischgas
Der Hes-itionsraum 9 ist vertikal unterteilt in mehrere zylindrische
und konzentrische liatalysatorräume 17» die nach oben
offer, cind und nach unten ücer die Ventilationskammer 13 mit
dem Wärmeaustauschraum 1o in Verbindung stehen. Jeder Eingre.uE.
16 zwinohen den benachbarten Kacalysatorräumen 17 steht
em oberen Znde -iait den Katalysatorräumen 17 und am unteren
LrAe Ucer die Tentilationskammer 14 mit dem Wärmeaustauschraum
Io in Verbindung* Ferner ist jeder Eingraum 18 mit mehreren
Kühlgasrohren 19 versehen*
Die juühigasrohre 19 münden in den Hingräumen 18, zum Teil in
der Zone a oberhalb des Mittelteils des Reaktionsraums 9»
zum Teil in der Zoiae b im Mittelteil des Eeaktionsraums,
zum Teil in der Zone c unterhalb des Mittelteils des Eeaktionsraums.
Die Kühlgasrohre 19 sind durch die wärmeisolierende Platte 11 geführt und an die von aussen kommende Zufuhrleitung
25 angeschlossen» ■
Der Wärmeaustauschraum 1b enthält eine Vielzahl von versetzt«»
angeordneten Umlenkböden 21 und eine Vielzahl von Reaktionsgas— ":
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BAD ORIGINAL'
rohren 2o, die verbikal durch den *<7ärme aus tau sehr aum 1o
laufend die Venbilabionskammern 15 und 15 miteinander
verbinden. Zwischen dem untersten Umlenkboden 21 und dem
oberen Ende der Yenbilationskammer 15 ist in der wandung. ein rundum laufender Spalt 22 vorgesehen, der eine direkte
Verbindung zwischen dem Warmeaustauschraum 1o und der Innenseite
des Aussenzylinders 1 herstellt.
Das Einleitungsrohr 23 dient beim Ingangsetzen des Reaktors
zur Zuführung von erwärmtem Brischgas und gleichfalls zur
Zuführung von kühlendem Frischgas, um einen unerwünschten Temperaturanstieg im Raum oberhalb der x^atalysatorschicht zu
vermeiden», Das umgesetzte Reaktionsgas wird durch den Auslass
24 abgeführt»
Der Reaktor arbeitet folgendermasseni
Die Hauptmenge des Irischgases wird durch den Haupteinlass
zugeführt· Ein leil des Prischgases wird zur Kühlung des
Aussenzylinders 1 durch den Einlass 5 zugeführt und strömt durch die kleinen Bohrungen 7 des Abstandsrings 8 im Ringraum
abwärts· Am unteren Ende des Ringraums 3 erfolgt eine Mischung
des Kühlgases und des durch den Haupteinlass & zugeführten Prischgases, und der Gasstrom tritt durGh den Spalt 22 in
den Wärmeaustauschraum 1o«
Im Wärmeaustauschraum Io steigt der Gasstrom im Zickzack
zwischen den versetzt angeordneten Umlenkböden 21 empor und
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—ο-»
wird daboi fortschreitend an den Bohren 2o, in denen das
lieaktionsgas ab?/ärts strömt;, erwärmt« Dann gelangt das Frischgas
aber die Yentilationskanimer 14 zum Reaktionsraum 9» wo es
lurch die zv/inc^en den Katalysatorräumen 17 liegenden Ringfäume
1ö emporsteigt unl die Kat. lysatorräume 17 kphlt#
Unterdessen v.-ird das durch die Zuführleitung 25 eingebrachte
üas durch die Rohre-19 in die Kingräume 18 geleitet«
Das so 2 ug 3f uhr te kühlsnde frischgas mischt sich mit dem
auf st eigenaon frischgas, wobei die Temperatur gesenkt '.vird·
3eim Aufwärts strömen 7/erden. die iCacalysatorsäune 17 gekühlt und
bal:oii^-.en die iUr die o^nthesereaktion günstige Temperatur·
Dam gelangt der Gasstrom von oben her in die Katalysator— räume 17 des üeaktionsreuns 9»
7om ---öden der Ivatalysatorräume 17 strömt das umgesetzte Gas
über di-i Tentilationskammer 13 durch die Rohre 2o, an,denen
der Warne aus tausch stattfindet, und dann in die Ventilations-·
kamm-er 15> von v.ro es durch den Auslass 24 abgeführt wird·
lüit einem erfindungsgemäss aufgebauten Reaktor lassen sich,
folgende Vorteile erzielen:
Durch die Verbindung derzur Kühlung des Reaktionsraums 9
dienenden Ringräume 18 mit den Kühlgasrohren 19 kann durch das von aussen zugeführte Kühlgas die Temperatur in den Ring-/
räumen 18 nach"Wunsch geregelt werden. Hierzu ist es auch vorgesehen,
dass die Kühlgasrohre 19 teils in der Zone a, teils in der Zone b und teils in der Zone c münden.
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. BAD OWSiNAL
Die otrömungsgeschwindigkeit des Kühlgases in den Ringräumon IS
ist am niedrigsten unterhalb dei' Zone c, erhöht siel: ^vI. C;.en
den Zonen c und b, erhöht sich 'wei tür zwischen den-Zonen 'c "ind a
ist
und am höchsten oberhalb der Zone a· Durch ilinsteilung bzw» Abstimmung der Strb'mung3ge3ciiivindigj,eiteii ist es ermöglicht, ein übermässiges Absinken der Temperatur i^i Ausgangsttil der Katalysatorschicht ebenso wie ein überniär^iges Ansteigen der Temperatur im Eingangsteil der Katalysators.·Licht zu vermeiden· Ferner lassen sich lokale üeb-irhitsungen der Kataivsatorschicht vermeiden»
und am höchsten oberhalb der Zone a· Durch ilinsteilung bzw» Abstimmung der Strb'mung3ge3ciiivindigj,eiteii ist es ermöglicht, ein übermässiges Absinken der Temperatur i^i Ausgangsttil der Katalysatorschicht ebenso wie ein überniär^iges Ansteigen der Temperatur im Eingangsteil der Katalysators.·Licht zu vermeiden· Ferner lassen sich lokale üeb-irhitsungen der Kataivsatorschicht vermeiden»
Bei derartigen Reaktoren hat man'im allgemeinen die Erscheinung,
dass mit dem Schwacherwepden des Katalysators
der Bereich, in dem die Reaktion am schnellsten erfolgt, oder
in dem die Temperatur am stärksten ansteigt, fortschreitend
zum Ausgangßteil der Katalysatorsqhicht verschoben wird. Diese
Schwierigkeiten können durch Temperaturregelung mittels z-,vecknässigen
Arbeitens nit den Kühlgasrohren 19 behoben werden»
Das folgende Ausführungsbeispiel erläutert die Temperatur--Verhältnisse·
Als Ausgangsgas wurde ein Gemisch von Wasserstoff und Stickstoff
i· Verhältnis von etwa 3:1 und mit einem Aanoniakgehait
von 2fo J6 verwendet*·
!EeBiperatur der Eatalysatorscliicht lag zwischen 4po und
der Druck betrug 5oo atm»
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Durch den Haupteinlass 6 wurde das Frischgas mit einer Temperatur von 18o°G zugeführt und an den Rohren 2o, durch
die das Eeaktionsgas mit 48o bis 38o°G strömte, aufgeheizt,
so dass die temperatur in der Ventilationekammer 14 42o°G
und am Zugang der Katalysatorräume 48o°G betrug, ·
ι Das Frischgas, das zur Kühlung durch<3eii Einlass 51 die Kühl—
; gasrohre 19 und die Leitung 23 eingeführt wurde, hatte eine Temperatur von 35°G· An den Mündungsstellen der Kühlgasrohre
wurde die Gastemperatur von etwa 49o auf 42o°C gesenkt.
Die Temperatur· des Ee akt ions gases an den Ausgängen der Katalysatorräume
17 betrug 48o°0 und am Auslass 24 38o°G· Der
Ammoniakgehalt lag bei 18 bis 2o%·
Die Kurven der Fig.3 aeigen den Verlauf der Gastemperatur,
insbesondere an den einzelnen Stellen der Katalysatorschicht· Die Punkte A, B und .C entsprechen den Zonen a, b und c in Fig#1#
' An diesen Stellen erfolgt die Mischung des in den Hingräumen
j -
aufsteigenden Frischgases mit dem durch die Rohre 19 züge—
führten Kühlgas* Aus der die ICatalysatorschicht betreffenden
Kurve ist ersichtlich, dass eine über die gesamte Länge der Katalysatorschicht weitgehend gi£.-iohmässige Temperatur erreictit
v/urde, insbesondere dass zu Beginn der Umsetzung kein
schädliches Ansteigen und gegen Ende der Umsetzung kein schädliches
Abfallen der temperatur erfolgte»
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BAD ORIGINAL
Claims (1)
- ■Pat ent ansprachReaktor für exotherme' Syntheseüsaktionen mit Temperatur« regelungseinri'chtung für die Katalysatorschicht, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Aussenzylinder (1) unter Zwischenlassung eines Ringraums (3) ein Innenzylinder (2) angeordnet ist, und dieser Innenzylinder (2) in einen Wärmeaustauschraum (1ο-)' und einen Reaktionsraum Ö9) unterteilt ist, wobei der Wärmeaustauschraum (1o) eine Reihe von das umgesetzte Gas abführenden Rohren (2o)(21)und eine Reihe von versetzt angeordneten Umlenkböden aufweist, und der Reaktionsraum (9) vertikal unterteilt ist in konzentrische, zylindriache Katalyaatorräume (17)} zwischen denen Ringräume (18). für aufsteigendes Frischgas verlaufen, und dass in diesen Ringräumen in verschiedener Höhe Kühlgas** rohre (19) münden, die an eine Eühlgaszuf uhr leitung (25.) angeschlossen sind»BADOWQINAL 009841/U24Leerseite
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