DE1792314C - Reaktor für katalytische Hoch drucksynthesen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen liegenden Reaktor für katalytische Hochdrucksynthesen, wie insbesondere die Ammoniak- oder Methanolsynthese.

Aus der österreichischen Patentschrift 254 224 ist ein liegender Reaktor für Hochdrucksynthese^ insbesondere der Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff, bekannt, der einen Einsatzmantel aufweist, in dem ein Hauptwärmeaustauschcr und mehrere Katalysatorbetten nebeneinander angeordnet sind, die seitlich von gasundurchlässigen, wechselseitig nach oben und unten bis zum Einsatzmantel sich erstreckenden Wänden und oben und unten von gasdurchlässigen Gittern unter Bclassung von Gasräumen zwischen den Gittern und dem Einsatzrohr begrenzt sind. Als Kühlmittel dient frisches Synlhesegasgemisch, das durch Rohre an beiden Seiten der Betten zugeführt wird. Während die Außenwandung des Reaktors so bemessen ist, daß sie dem Reaktionsdruck von im allgemeinen «4 bis 700 atü standhält, ist der Einsatzmanlcl einem Arbeilsdruck ausgesetzt, der nur wenig größer als die Differenz zwischen den Drücken des einströmenden und des ausströmenden Gases ist.

Bei der aus der erwähnten österreichischen Paten'schrift 254 224 bekannten Anordnung strömen die Reaktionsgase in entgegengesetzter Richtung durch benachbarte Betten, d. h., jedes zweite Katalysatorbett wird von unten nach oben durchströmt, wobei es notwendig zu einem Mitreißen von Katalysatorfeinteilchen kommt.

Aufgabe der Erfindung ist ein Reaktor für katalytische Hochdrucksynthesen, bei dem dieses Problem

des Mitreißens von Katalysatorfeinteilchen nicht auftritt und bei dem außerdem eine wesentlich bessere Durchmischung von Kühlgas und Reaktionsgasen möglich ist als bei der bekannten Vorrichtung.

Gegenstand der Erfindung ist ein liegender Reak-

tor für Hochdrucksynthesen, wie aus der erwähnten österreichischen Patentschrift bekannt, bei dem jedoch die seitlichen Begrenzungswände der Katalysutorbetten von den Nachbarbetten mit Abstand unter Bildung von Gasströmungswegen angeordnet sind,

wobei die Gasführung alle Katalysalorbctten im Abwärlsstrom beaufschlagt und die Kaltgasieitungen in offener Verbindung mit dem Gasraum unterhalb der Gitter stehen, während die Frischgaszuführung in einen über dem ersten Katalysatorbett liegenden Verteiler mündet.

Vorzugsweise sind die Kaltgasleitungen mit seitlichen Löchern versehen und verlaufen in Längsrich tung des Gasraums unterhalb der Gitter, wobei sie zweckmäßig in an sich bekannter Weise konzentrisch ineinander liegen, und vorzugsweise ist noch eine weitere, in den Verteiler mündende Kaltgasleitung vorgesehen. Auch kann es zweckmäßig sein, wenn die Katalysatorbetten verschiedene Längen aufweisen.

Vorzugsweise ist der Einsatzmantel glcitfähig auf Laufschienen innerhalb der Ummantelung angeordnet, so daß er zum Zwecke der Wartung leicht herausgeschoben werden kann und nicht herausgehoben werden muß.

Beim Betrieb des Reaktors gemäß der Erfindung wird ein Gemisch von Reaktionsgasen durch die äußere Ummantelung des Reaktors und durch den ringförmigen Durchtritt zwischen der äußeren Ummantelung und dem Einsatzmantel in den Wärmcaustauscher geleitet. Nach dem Wärmeaustausch mit den heißen Abgasen aus der Umwandlungszonc strömen die Reaktionsgase senkrecht zur Längsachse der äußeren Ummantelung und des Einsatzmantcls durch mehrere hintereinander angeordnete Katalysatorbetten, wobei die Gase aus dem einen Bett in das nächstfolgende durch einen dazwischen vorgesehenen Durchtrittsweg strömen, in dem die Slrömungsrichtung der Gase derjenigen durch das Katalysatorbett entgegengesetzt gerichtet ist.

Die beschriebene Anordnung der Betten schafft ein größeres Strömungsgebiet, als es in herkömmlichen Reaktoren möglich ist, so daß mit niedrigeren Druckabfällen gearbeitet weiden kann, und ein Katalysator mit geringerer Korngröße als in heikömmlichen Hochdruckreaktoren verwendet werden kann. Eine geringere Katalysatorkorngrößc wiederum liefert eine größere aktive Oberfläche und erlaubt somit die Verwendung geringerer Mengen an Katah-utor.

was wiederum eine Verkleinerung des Reaktors ermöglicht.

In dem Reaktor gemäß der Erfindung läBl sich die Katalysatormenge in den \ersehiedeiien Betten, die Eintrittsfläche jedes Bettes für die Reaklionsgase und der Druckabfall in dem Bett je Längeneinheit Uettiefe einregulieren. In den Zeichnungen ist

Fig. I ein Längsschnitt durch einen Mochdruckreaktor gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eil» Querschnitt durch ilen Reaktor längs der Linie 2-2 von F i g. I.

In F i g. 1 ist die dickwandige iiiiluc Ummantelung IO des Hochdrucks) nlhcsereaktors auf der einen Seite durch den Verschluß II und auf der anderen Seite durch den Verschluß 12 abgeschlossen. Der zylinderförmige Einsat/ mit dem Mantel U erstreckt sich über die gesamte Länge des Reaktors und dient der Aufnahme der Katalvsaiorhetten 14, 15, 16 und 17. Zwischen der Innenwand der äußeren Ummantelung IO und dem Linsal/inanl··! 13 liegl ein ringförmiger Zwischenraum 18. An dem Ende de^> Einsatzmantels 13 ist der Wärmeaustauscher 19 angeordnet.

Dieser Wärmeaustauseher 19 besieht aus Austauscherröhren 25 zwischen Rohrblechen 26 sowie aus Prallblechen 27. Anzahl, I änge und Durchmesser der Röhren 25 sowie die Abstände der Prallbleche 27 sind derart, daß der notwendige Wärmeaustausch /wischen den ein- und austretenden Strömen staltfinden kann. Der Einsat/manlel 13 mit den von ihm umfaßten Teilen des Reaktors kann nach Abnahme des Verschlußteils II aus der äußeren Ummantelung 10 herausgezogen werden.

Gemäß Fig. 2 sind hierfür I aulschieuen 35 vorgesehen. Die Katalysatorbett 14, 15, 16 und 17 (Fig. I) können in ihrer Tiefe und Länge voneinander verschieden und ihre Zahl kann größer oder kleiner als die gezeigte Anzahl sein. Für jedes Bett sind Gitter 28, die auf der Innenfläche des Einsatzmantels 13 aufliegen, vorgesehen. Die Güter 28 tragen ihrerseits Gitter 29, auf denen sich der Katalysator 30 befindet. Ein Sieb 31 (Fig. 2), veibunden mit dem Gjsverteilergitter 32, das seinerseits auf Trägerstangeii 33 ruht, dient dazu, den Katalysator 3ύ während des Beschickens der Katalysatorbetten mit Katalysator vor dem Weggeblasenwerden zu bewahren. Die Gitter 29 und j2 sind so bemessen, daß sie das Strömen der Reaktionsgase in das /wischen ihnen befindliche Katalysatorbett sowie aus ihm heraus gewährleisten. Die Katalysatorbetten 14, 15, 16 und '7 (Fig. i) werden von vertikalen seitlichen Begrenzungswänden 34 und 37 begrenzt. Die Wände 34 an der einen Seite der Katalysatoibetten erstrecken sich bis jenseits der Cutter 29 und tliu Wände 37 bis jenseits der Verteilergitter 32 bis an die Wand des Einsatzmantels 13, wodurch Misdikammem 38 gebildet werden, durch die die Reaktionsgase \on unten nach oben von einem Katalysatorbett zum nächsten strömen, während die Katalysatorbelleu sämtlich von oben nach unten durchströmt werden.

Unmittelbar unter jedem Bett befindet sich ein Gasraum 39 für ein Kallgas, das in den Abfluß aus den Katalysaiorbetten eingeleitet wird. Dieser Gasraum 39 ermöglicht ein innigeres Vermischen des Kaltgases mit den Reaktionsgasen, als es durch unmittelbare Einleitung des Kaltgases in das Katalysatorbett möglich ist.

Die seitlichen Begrenzungswände 34 und 37 können so angeordnet sein, daß in jedem Bett ein anderes Kutulysulorvolumcn enthalten ist. Die Kapazität einer Anlage kann durch einfaches Verlängern des Reaktors, statt durch Vergrößern seines Duichniessers, wie bisher üblich, erfolgen. Die große !lache des Katalysatorbettes und seine verhältnismäßig geringe 'Tiefe ergeben einen besonders geringen Druckabfall der Reaktionsgase beim Durchströmen der Katalysatorbetten.

ίο Während der beschriebenen katal\ tischen Umsetzungen wird Wärme frei. Demzufolge ist der Einsal/-maniel 13 beträchtlich höheren Temperaturen ausgesetzt als die äußere Ummantelung 10, /umal die äußere Ummantelung 10 durch das durch den Ringraum 18 strömende Kaltgas gekühlt wird. Träger 36 an der Außenfläche dos Einsatzmantels 13, mit denen diese auf den Schienen 35 aufsitzt, gestatten eine W;irmeausdehnung des F.msatzmanicls 13 untl ilci von ihm umfaßten Tei¹ .

Die optimalen Arbehst'-mperaturen für die KaIa lysatorbetlen liegen innerhalb eines verhältnismäßig engen Bereiches. Um diese Temperaturen zu regeln, sind Mittel vorgesehen, um jedem Katalysatoi bett ein verhältnismäßig kaltes Material, beispielsweise einen

Teil der eingesetzten Reaktionsgase, zuzuführen. LIm das Kaltgas möglichst gut zu verteilen, ist vorzugsweise für jedes Bett eine eigene Kaltgasleitung vorgesehen, die vorzugsweise duich eine eigene Einlaßleitung beschickt wird. Auf diese Weise kann die Temperatur jedes einzelnen Kalalysalorbettes unmittelbar gesteuert werden.

Gemäß Fig. 1 wird das Kaltgas durch Kaltgasleitungen 41, 42, 43 und 44 durch die äußere Ummantelung 10 eingeführt. Diese Kaltgasleilungen sind ir.-nerhalb der äußerer, Ummantelung mit biegsamen Teilen, wie beispielsweise biegsamen Schläuchen 45 ausgestattet, um sich der obenerwähnten Ausdehnung des Einsatzmantels 13 anpassen zu können. Die Kaltgasleitung 41 führt zu der Reaktionsgaseinlaßseite des ersten Katalysalorbettes 14 und endet innerhalb eines Verteilers 46 innerhalb des Einsatzmantels 13, in den auch die Frisehgas/iilührung 51 mündet. Durch Vermischen des Frischguses mit dem Kaltgas innerhalb des Verteilers 46 wird die Temperatur der Reaktionsgase, die dem ersten Bett zugeführt werden, einreguliert. Der Verteiler 46 besitzt in seinen Längswänden Öffnungen, durch die das Gemisch aus Frischgas und Kaltgas in das Katalysatorbett 14 strömt. Da die Endwände des Verteilers 46 geschlossen sind, und zwar an einer Seile um die Kaltgasleitung 41 herum und auf der anderen Seite um die Frischgaszufühning 51 herum, kann das aus dem Verteiler 46 ausströmende Material nur in das Katalysatorbett 14 eintreten.

Dir· Kaltgasleitungen 42, 43 und 44 enden in einer Reihe konzentrischer Rohre, die in den Raum innerhalb des EinsatzmaiUels 13 führen. Die Kaltgasleitung 44 verläuft bis zur seillichen Begrenzungswand 34 des Bettes 17. Aus den Öffnungen in dei

6c Wand der Kaltgasleitung 44 strömt das Kaltgas in die aus dem Katalysatorbett 16 austretenden Reaktionsgase. Auf diese Weise wird die 'Temperatur lies Katalysatorbettes 17 gesteuert. Die Kallgasleitung 43 führt unter das Katalysatorbett 15. Kallgas für ilen Abfluß des Kalalysaloibettes 15 strömt dme!) den von den Kaltgasleilungen 43 und 14 begrenzten Ringraum und durch Öffnungen in den AbIIuIJ des Katalysatorbettes 15. Kaltgasleitiiiig 42 dient ent-

sprechend der Kühlung des Abflusses aus Katalysatorbett !4. Dchnungsverbindungcn 47 zwischen den konzentrischen Kaltgasleitungen dienen dem Abfangen der Wärmeausdehnung des liinsatzmanlels 13. Den einzelnen Betten können natürlich statt konzentrischer auch getrennte Kaltgasleitungen zugeführt werden.

Frischgas wird zunächst durch den Wärmeaustauscher 19 geführt und strömt von dort durch die Frischgaszuführung 51 in den Verteiler 46. Die Dehnungsverbindung 48 in der Frischgaszuführung 51 dient dem Abfangen einer Wärmeausdehnung des Einsalzmantels 13.

Für die Bestimmung der Menge des durch die erwähnten Kaltgasleitungcn 41, 42, 43 und 44 einzuführenden Kaltgases kann es zweckmäßig sein, in den einzelnen Katalysatorbetten Thermoelemente 49 vorzusehen.

Die Reaktionsgase werden durch Einlcitungsdüsen 50 durch die äußere Ummantelung 10 eingeführt und strömen durch den Ringraum 18 zwischen der äußeren Ummantelung 10 und dem Einsatzmantcl 13 in den Wärmeaustauscher 19, an den Prallblechen 27 entlang, und schließlich aus dem Wärmeaustauscher 19 in die Frischgaszuführung 51 und von dort in den Verteiler 46, wo sie mit durch Kaltgaslcitung 41 zugcführtcm Kaltgas vermischt werden können. Das Gemisch wird danach in das Katalysatorbett 14 geleitet, von dem es in die Mischkammer 38 zwischen den seitlichen Begrenzungswänden 34 und 37 und weiter in das Katalysatorbett 15 gelangt. In analoger Weise strömt es weiter durch die Katalysatorbetten

»ο 15, 16 und 17, wobei ihm jeweils vor dem Einführen in ein neues Bett gegebenenfalls Kaltgas zugemischt wird. Der Abfluß aus dem Katalysatorbett 17 strömt durch die Röhren 25 des Wärmeaustauschers 19, wodurch die den Katalysatorbetten zugeführten klihleren Reaktionsgasc erwärmt werden. Die gckühtten Produktgasc strömen durch die Auslaßdüse 52 aus dem Reaktor aus.

Zur Entfernung des Katalysators können in dem Einsatzmantcl 13 Einstieglocher vorgesehen sein, und die seitlichen Begrenzungswände 34 und 37 dci Katalysatorbetten können verschiebbar angeordncl sein, so daß die Größe der Katalysatorbetten verändert werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Palentansprüche:

   I. Liegender Reaktor für katalyiische Hochdrucksynthese!! mit Einsatzmantel, in dem ein Hauptwärmeaustauscher und mehrere Katalysatorbetten angeordnet sind, die seitlich von gasundurchlässigen, wechselseitig nach oben und unten bis zum Einsatzmantel sich erstreckenden Wänden und oben und unten von gasdurchlässigen Giltern unter Belassu.'ig von Gasräumen zwischen den Gittern und dem Hinsalzrohr begrenzt sind, wobei Kaltgaszuführungen zur Steuerung der Temperatur der Reaktionsgase vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Begrenzungswändc (34, 37) der Katalysatorbetten von den Nachbarbetten mit Abstand unlcr Bildung von Gasströmungswegen (38) angeordnet sind, wobei die Gasführung alle Katalysatorbetten im Abwärtsstrom beaufschlagt und die Kaltgasieitungen (42, 43, 44) in offener Verbindung mit dem Gasraum (39) unterhalb der Gitter (28, 29) stehen, während die Frischgaszuiührung (51) in einen über dem ersten Katalysatorbett (14) liegenden Verteiler mündet.

   ?.. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltgasleitungen (42, 42L 44) mit seitlichen Löchern versehen sind und in Längsrichtung des Gasraums (39) unterhalb der Gitter (29) v. riaufen.

   3. Reaktor nach Anspruc'¹ 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltpasleitungen (42, 43, 44) in an sich bekannter Weise konrentrisch ineinander liegen.

   4. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Kaltgasleitung (41) in den Verteiler (46) mündet.

   5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorbetten verschiedene Längen aufweisen.

   6. Reaktor nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzmantel (13) gleitfähig auf Laalschienen (35) innerhalb der Ummantelung (10) angeordnet ist.