DE1927850A1 - Vorrichtung zur Durchfuehrung von exothermen katalytischen Gasreaktionen - Google Patents

Description

Kralovopolska stro^irna, narodni podnik, Brno, Kralovo Pole, CSSR

Vorrichtung zur Durchführung von exothermen katalytisehen

Gasreaktionen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von exothermen katalytischen Gasreaktionen, z. B. der Ammoniakoder Methanolsynthese, mit einem mehrkugeligen äußeren Hochdruckmantel, einem in diesem mit Spiel angebrachten und mit ihm kongruenten inneren Einbaumantel, einem in der Längsachse des Einbaumantels angebrachten Einführungsmantel und einem oder mehreren, in dem Einführungsmantel übereinander angeordneten Wärmeaustauschern. Die Vorrichtung soll sich zur Durchführung von exothermen katalytischen Gasreaktionen eignen, die unter erhöhten Temperaturen bzw. erhöhten Drücken geführt werden.

Mit der Problematik der Bauart und Konstruktion von Reaktoren und Konvertoren dieses Typs befassen sich die meisten Erzeuger von chemischen Vorrichtungen und Anlagen. Die Konzentrierung der Produktion in Großleistungseinheiten hat sich nämlich als einer der möglichen Wege, die zur Erniedrigung der Herstellungskosten führen könnten, erwiesen.

Die meisten Großvolumenvorrichtungen, die bereits in Betrieb sind, wurden einfach durch eine Vergrößerung der geometrischen Abmessungen der in der Industrie laufend benutzten Zylinderreaktoren abgeleitet, wobei deren charakteristische Züge erhalten blieben. Das bedeutet, daß ihre Katalysatorfüllung meistens durch feste, mechanische Böden in mehrere selbständige,

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gegeneinander abgetrennte und übereinander angeordnete Schichten verteilt wurde, die von dem Synthesegemisch in axialer oder radialer Richtung durchströmt wurden. In den Boden wurden dann entweder Mittel zur indirekten Kühlung des fortschreitenden Gasgemisches oder Mischkanmern zum direkten Wärmeaustausch zwischen dem heißen, teilweise durchreagierten und dem kalten, frischen Synthesegemisch eingebaut.

Die Nachteile dieser klassischen Einbautypen, die bisher fast ausschließlich für niedrigere Leistungen benutzt wurden, sind bekannt. In erster Linie ist es die feste Auflagerung der Tragroste und/oder der Kühl- bzw. Mischböden in dem inneren Einbau sowie ihre Kompliziertheit. Beim Einfüllen oder Entleeren des Katalysatorbettes müssen nämlich die einzelnen Tragroste und Böden zusammen mit den in ihnen eingebauten Kühlvorrichtungen und mit den üblichen Einbauteilen schrittweise demontiert werden, Der Austausch des desaktivierten Katalysators sowie eventuelle Reparaturen des Einbaues werden dadurch ziemlich schwierig und zeitraubend. Die Montagearbeiten in dem staubigen Raum im Innern eines schlanken Einbaues sind außerdem auch gefährlich. Und, was die Hauptsache ist, die Mnntage und Demontage der oben beschriebenen klassischen Einbautypen erfordern unbedingt, daß der ganze Querschnitt des Hochdruckraumes frei blieb.

Bei einer einfachen Übertragung der bisher benutzten mehrschichtigen Einbautypen auf einen Großvolumenmktor treten diese Nachteile noch mehr in den Vordergrund. Dazu hat sich gezeigt, daß der bloßen Vergrößerung der bekannten zylinderförmigen Reaktoren auch Hindernisse technologischen oder konstruktiven Charaktere im Wege stehen. In erster Linie ist es die Tatsache, daß die Erzeugung eines Hochdruckdeckels, der das vergrößerte Mannloch, d. h. praktisch den ganzen Querschnitt des Druckraumes abschließen und zugleich Längsspannungen, die durch Unterschiede in der Wärmedilatation in den Druckkörperwänden hervorgerufen werden, auffangen soll, Über gewisse Grenzen nicht realisierbar ist.

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An zweiter Stelle wächst aber bei der geometrischen Vergrößerung der Dimensionen und bei den normalen Betriebsdrücken, etwa 300 at_t auch die Wanddicke des den Deckel tragenden Hochdruckmantels bis über einen tragbaren Wert.

Den bisherigen Erfahrungen nach beträgt die durch die oben angeführten Hindernisse beeinflußte Kapazitätsbeschränkung und Grenzleistung bei Ammoniaknsaktoren ungefähr 1000 t Ammoniak pro Tag, was heute nicht mehr als genügend angesehen werden kann.

Eine der wenigen Möglichkeiten der konstruktiven Lösung von Großvolumenreaktoren zur Durchführung von exothermen katalytisehen Gasreaktionen stellt die Vorrichtung gemäß des tschechoslowakischen Patents 116 440 dar. Der Druckkörper wird durch Verbindung von wenigstens einem kugeligen und zwei zylinderfönnigen Bauelementen gebildet. Diese Gestaltung hat die günstigen Festigkeitseigenschaften und die hydrodynamischen Eigenschaften der Kugelform. Dank dieser vorteilhaften Festigkeitsbedingungen kann der aus mehreren Kugelelementen ausgebildete Hochdruckkörper der klassischen Zylinderform gegenüber ein größeres funktionelles Volumen bei einer geringeren Wanddicke und dadurch auch bei geringerem Gesamtgewicht aufweisen. Die großen Zusatzspannungen in Richtung der Längsachse, die bei den Zylinderbehältern vorkommen und durch den Druckdeckel bzw. durch ein System von Hilfsquerabstützungen beseitigt werden müssen, werden bei den Kugelbehältern in stellenmäßig niedrigere radiale Spannungen übersetzt. Die Gefahr der Entstehung von Rissen in der Außentragschicht und des Verziehens der mittleren Schichten, die in der Regel eine höhere Wärmedilatation aufweisen, wird demnach auf ein Minimum reduziert. Daraus ergeben sich auch geringere Ansprüche an die Ausführung des Druckdeckels, des Hochdruckmantels sowie des inneren Einbaues.

Im Vergleich mit einem einfachen raumgleichen Kugelreaktor, in dem sich ein Katalysatorbett von demselben Umfang befindet,

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ermöglicht die mehrkugelige Ausstattung eine wirksamere und gleichmäf3igere Kühlung des fortschreitenden Gasgemisches und dadurch auch eine viel bessere und empfindlichere Betätigung des Wärraeregimes während der Konversion. Und es kommt noch dazu, daß in einem einfachen Kugelreaktor die Ausbildung eines mehrschichten Katalysatorbettes einen ziemlich komplizierten Einbau bedingt.

Die konstruktive Bearbeitung des inneren Einbaues für ein mehrschichtiges, in einem mehrkugeligen Hochdruckkörper gelagertes Katalysatorbett bildet den Gegenstand des tschechoslowakischen Patents 120 180. Hiernach besteht der Synthesereaktor aus zwei oder mehreren Kugelbehältern, die mit selbständigen, jeweils auf einem Tragrost gelagerten Katalysatorschichten gefüllt und durch zylinder- oder ringförmige Verbindungselemente aneinander angeschlossen sind. Die Querschnitte der Verbindungselemente sind dabei kleiner als die der Kugelbehälter und der Mannlöcher. In der Längsachse des inneren Einbaues ist in einem Einführungsmantel ein Wärmeaustauscher gelagert, der das mehrschichtige Katalysatorbett im wesentlichen in seiner ganzen Länge, also alle selbständigen, sich in den'einzelnen Kugelbehältern befindlichen Katalysatorschichten, durchsetzt. Zur Regelung und zum Gleichrichten des Wärmeregimes während der Reaktion erfolgt ein direkter Wärmeaustausch zwischen dem teilweise durchreagierten, von einer in die funktionell nachfolgende Katalysatorschicht übertretenden Gasgemisch und dem kalten Frischgas. Dieser Austausch geschieht in Mischkammern, die sich in dem Niveau der zylinderförmigen Verbindungselemente zwischen dem Tragrost der einen und der Oberfläche der nächstfolgenden Katalysatorschicht befinden.

Obwohl durch diese Ausstattung günstige Voraussetzungen zur Realisation der Hochleistungsreaktoren gegeben waren, gelang es jeddh nicht, die bemängelten Nachteile der klassischen Zylinderreaktoren zu beseitigen. Es sind hier nämlich die fest eingebauten Tragroste geblieben, die beim Füllen und Entleeren des Katalysators wieder Schwierigkeiten verursachen« Zum Zweck

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der Demontage und Montage der Tragroste muß vor allem der Einführungsmantel des Wärmeaustauschers zwischen den einzelnen Katalysatorschichten unterbrochen ausgebildet werden. Die herausnehmbaren, meist ringförmigen Mantelteile werden dann durch lösbare Verbindungsstücke aneinander angeschlossen.

Der Austausch des desaktivierten Katalysators stellt also auch hier einen komplizierten und zeitraubenden Vorgang dar. Dazu benötigt man wieder ein Mannloch von genügend großem Querschnitt, das den Querschnitt der engsten Stellen des Einbaues, d. h. der zylinderförmigen Verbindungselemente, überschreitet. Einen wesentlichen Nachteil stellt auch die Tatsache dar>" daß die zwischen den einzelnen Kugelbehältern im Niveau der Verbindungselemente ausgebildeten Mischräume bzw. Mischkammern nur schlecht zugänglich sind, obwohl hier die Zuführungsleitungen des Frischgases einmünden und obwohl diese Teile des Hochdruckkörpers einer erhöhten Wirkung des aggressiven Mediums ausgesetzt sind. Kein Wunder, daß diese Tatsache zahlreiche ernste Defekte und oft das Aussetzen der ganzen Produktionseinheit zur Folge hat, was insbesondere bei den Hochleistungseinheiten höchst unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur Durchführung von exothermen katalytisehen Gasreaktionen auch die übriggebliebenen Nachteile des mehrkugeligen, mit einem mehrschichtigen Katalysatorbett ausgestatteten Reaktors zu unterdrücken·

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung zur Durchführung von exothermen katalytischen Gasreaktionen, z. B. der Ammoniak- oder Methanolsynthese, mit einem mehrkugeligen äußeren Hochdruckmantel, einem in diesem mit Spiel angebrachten und mit ihm kongruen-ten, inneren Einbaumantel, einem in der Längsachse des Einbaumantels angebrachten Einführungsmantel und einem oder mehreren, in dem Einführungsmantel übereinander angeordneten Wärmeaustauschern, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Einführungsmantel

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und dem Einbaumantel durch ein ununterbrochenes Katalysatorbett ausgefüllt ist, das auf einem, in dem untersten der Kugelbehälter eingebauten Tragrost ruht, und daß zwischen den einzelnen Kugelbehältern ringförmige Verbindungselemente vorgesehen sind, die Einführungsstutzen für das Frischgas tragen, wobei die Einführungsstutzen zu inneren Verteilungsringen und an diese anknüpfende Verteilungsrohrsysteme mit einzelnen radialen Röhren führen, die den ganzen Querschnitt des Kata lysatorbettes durchsetzen und in ihm einzelne technologische Schichten abgrenzen.

Auf diese Weise ergibt sich eine' Konstruktion, die ein großes funktionelles Volumen aufweisen kann und deshalb auch für Hochleistungseinheiten verwendbar ist. Die Lösung beruht dabei auf dem Prinzip eines ununterbrochenen Katalysatorbettes, das jedoch als ein mehrschichtiges Bett arbeitet, von dem Synthesegasgemisch in axialer Richtung durchflossen wird und mit einer direkten Zwischenschichtkühlung ausgestattet ist.

Der Einbaumantel kann an seiner das Katalysatorbett kontaktierenden Innenwand mit einer Schutzschicht versehen und sein kleinster, dem äe» Innendurchmesser der Verbindungselemente entsprechender Durchmesser größer als der Innendurchmesser des Mannloches im obersten Kugelbehälter sein.

In einem Reaktor, der auf die erfindungsgemäße Weise hergestellt ist, gibt es die Möglichkeit, die Korngröße des Katalysators flieBend oder stufenweise zu wechseln, und zwar in einer indirekten Abhängigkeit von dem Durchflußquerschnitt des Katalysatorbettes· Mit dem zunehmenden Querschnitt des Katalysatorbettes kann die Korngröße des Katalysators zweck voll herabgesetzt werden und umgekehrt. Dadurch wird ein relativ regelmäßiger Durchfluß des Gasgemisches durch den ganzen, einen veränderlichen Querschnitt aufweisenden Katalysatorraum erzielt.

Der Erfindungsgegenstand wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erörtert,

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Der hier dargestellte Hochdruckreaktor besteht aus drei Kugelbehältern, die mittels zweier ringförmiger Verbindungselemente zu-Rammengeaetzt sind. In dem axial angeordneten Einführungsraantel ist ein einziger Röhrenaustauscher gelagert. Die Zeichnung zeigt teilweise einen axialen Längsschnitt, teilweise eine Seitensicht.

Ein Hochdruckmantel 1 des Synthesereaktors ist durch drei Kugelbehälter 18 gebildet, die durch ringförmige, im Querschnitt trapezförmige Verbindungselemente 19 verbunden sind. In dem Hochdruckmantel 1 ist ein Niederdruckmantel 2 des Einbaues mit einem notwendigen Spiel gelagert. Der Einbaumantel 2 weist eine mit dem Hochdruckmantel kongruente Gestalt auf. Die Innenwand des Einbaumantels ist mit einer Schutzschicht, beispielsweise aus reinem Asbest, aus expandiertem Perlit oder keramischen, wärmeisolierenden Stoffen, z. B. Perobeton, versehen. Im obersten der drei Kugelbehälter des Hochdruckkörpers ist ein Mannloch 21 ausgebildet, das mit einem Hochdruckdeckel h abgeschlossen ist. In ähnlicher Weise ist auch der Einbaumantel 2 mit einem dem Mannloch 21 entsprechenden Mannloch versehen, das einen Niederdruckdeckel 5 trägt.

In der Längsachse des Hochdruckkörpers 1, und zwar über die ganze Länge des Ununterbrochenen Katalysatorbettes 8 ist ein Einführungsmantei 6 angeordnet. Der Einführungsmantel stützt sich mit seinem unteren Ende auf einen Tragrost 7, der in dem Bodenteil des untersten Kugelbehälters eingebaut ist. In den Einführungsmantel ist unten ein Wärmeaustauscher 9 und oben ein elektrischer Erhitzer 10 eingebrachte Unter dem Tragrost 7 befindet sich eine undurchlässige Scheidewand 11, in die ein Wärmeaustauschermantel 12 mit seinem unteren Ende einmündet.

Die einzelnen Funktionsschichten des Katalysatorbettes sind nicht mechanisch durch Roste oder Kühlböden abgetrennt, sondern das ganze Kontaktbett ist als eine ununterbrochene Katalysatorsäule ausgebildet»

Die zwischenzeitliche Kühlung des heißen* teilweise durchreagierten Gasgemisches erfolgt durch Einspritzung von kaltem Frischgas in den verengten Querschnitt des Katalysatorbettes, d. h. im Niveau der ringförmigen Verbindungselemente 19. Das

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BAD ORIGINAL

Frischgas wird dorn Hochdruckkörper 1 durch Einführungsstutzen 13 zugeführt und in der Katalyiiatormasse gleichmäßig durch ein System von radial angebrachten Verteilungsröhren 17 verteilt. Zu jedem Verteilungsrohrsystem gehört ein Verteilungsring 20, an dessen Innenumfang die Verteilungsröhren 17 angeschlossen sind. Zwecks einer regelmäßigen Verteilung des Frischgases durchsetzen die Verteilungsröhren den ganzen Flußquerschnitt der Katalysatorsäule und sind auf ihrer ganzen Oberfläche mit Öffnungen versehen. Ihre Anzahl wird so gewählt, daß einerseits eine vollkommene Abkühlung des fortschreitenden Synthesegemisches in dem ganzen Querschnitt des Katalysatorbettes erzielt wird und daß andererseits die Abstände zwischen den einzelnen radialen Verteilungsröhren so groß sind, daß der Katalysator frei und ungestört durchfallen kanri*-

Die ununterbrochene Katalysatorsäule wird von oben durch das obere Mannloch 21 eingeschüttet und von unten durch einen oder mehrere Austrittsstutzen 14 entleert.

Das in die Synthese geführte und in einem in einem selbständigen Druckkörper untergebrachten Hauptwärmeaustauscher vorgeheizte Frischgas wird dem Hochdruckkörper durch einen Stutzen 15 zugeführt. Es tritt in den Rohrraum des Wärmeaustauschers 9, wo es sich auf die Temperatur erhitzt, die beim Eintritt in die erste technologische Schicht des Katalysatorbettes gefordert wird. Von hier wird es über den elektrischen Erhitzer 10, der meistens nur während des Inbetriebsetzens des Reaktors eingeschaltet wird, auf die erste technologische Schicht geleitet.

Die Zwischenschichtkühlung des Synthesegeraisches geschieht, wie es schon oben angeführt wurde, durch den direkten Wärmeaustausch mit dem Frischgas, das durch die Einführungsstutzen 13 in die Verteilungsringe 20 und dann durch die Verteilungsröhren in den Katalysatorraum geführt wird.

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Von der letzten Katalysatorschicht wird das heiße durchreagierte Gasgemisch durch den Spalt zwischen dem Einführungsmantel 6 und dem Wärmeaustauschermantel 12 in den Röhrenzwischenraum des Wärmeaustauschers 9 geführt, wo es in einem indirekten Gegenstrom-Wärmeaustausch mit dem durch die Wärmeaustauscherröhre 1 geleiteten Frischgas gekühlt wird. Aus dem Röhrenzwischenraum fließt das gekühlte Gasgemisch in den Sammelraum unter der undurchlässigen Zwischenwand 11, von wo es durch den Stutzen 18 den Hochdruckkörper 1 verläßt. Wenn hinter dem Reaktor Dampf erzeugt werden soll, wird das durchreagierte Synthesegemisch dann einem Dampfkessel zugeführt und von hier in einen angebrachten Hauptwärmeaustauscher mit selbständigem Druckkörper geleitet, wo es nachgekühlt wird. Wenn keine Dampf erzeugung gewünscht wird, ist es leicht möglich, durch eine relativ einfache Anordnung die gesamte Wäraeaustauschfläche in den Druckkörper des Reaktors unterzubringen· Dazu gelangt man durch die geometrische Vergrößerung der Wärmeaustauschflache, die aber selbstverständlich auf Kosten des Katalysatorraumes geschieht· In diesem Falle wird die überflüssige Warne in der Regel zur Speisewasservorwärmung benutzt.

In de« erfindungsgeeäßen Synthesereaktor verbinden sich die günstigen Fettigkeitieigenecheften der kugeligen bzw. ■ehrkugeligen Gestalt »it den Vorteilen der ununterbrochenen Katalysator säule, die Jedoch unter Anwendungen relativ einfachen Mitteln als ein funktionell eehrschichtiges Katalysatorbett arbeitet. _ -■ /'. ■'■■_■[ r\'- -\- ■ '-' .

Die Herstellung des Hochdruckbehälters durch das ZussMiensetzen und Schweißen der einzelnen Kugelbehälter, die «it ringförmigen, die Verbindungaeleeente bildenden Endf lsnschen verseilen eind, stellt kein· großen Ansprüche. Auch dem Auflegen und dem Herauenehaen des Wlraeaustauichers oder des elektrischen Erhitzers «us dem Binführungeeantel bzw. der Demontage des Einführungsm*ntele steht nichts im Wege» so daß das obere Mannloch und der ihn abschließende Hochdruckdeckel sowie auch der Einbaudeckel mit einem Durchmesser ausgebildet werden können, der nur um

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ein notwendiges Spiel den Durchmesser des Einführungsmantels übersteigt, aber doch kleiner ist als der kleinste, engste Durchmesser der ununterbrochenen Katalysatorsäule. Die wesentliche Herabsetzung der Ansprüche an die Größe und Dicke des Hochdruckdeckels ist von dem Standpunkt der Herstellung aus eine der Hauptbedingungen für die Realisation der Großvolumenreaktoren·

Die Gestaltung des Mannloches mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der kleinste Durchmesser des Einbaues, ermöglicht neben der leichten Weise des Aufschüttens und der Entleerung der Katalysatoreäule es auch, daß die Schutzschicht, die nicht nur den Einbaueantel, sondern vor allem die innere Wand des Hochdruckmantels vor den schädlichen Einflüssen der hohen Temperaturen und vor dem Kontakt mit dem aggressiven Medium schützt, nicht an der inneren Wand des Hochdruckmantels oder an der äußeren Wand do Einbaumantel· angebracht ist, wie es bisher ieeer gewesen war, sondern an der inneren Wand des Einbaueantels. Ihre Beschädigung Wird dadurch leicht feetstellbar, und die beschädigten Stellen sind vom Innenraum des Reaktors her leicht zugänglich. Die Reparatur der Schutzschicht erfordert darum kein Auseinandernehmen des ganzen Einbaues, wozu ein entsprechend größeres Montagemannloch unbedingt notwendig wäre. Die Schutzschicht an der inneren Wand des Einbau-■antala verlängert Tialfach aalbst dia Lebensdauer dt« Einbau-■antels. , " _. . . ^: ' \· ;. ■"";"' ■"- ■ . : ■ ■

Durch eine Abänderung dta Durchmessers der Kugelbehälter sowie der Verbindungselement·, insbesondere durch die Abänderung ihrer Verhältnisse wird eine gante Reihe von konstruktiven Modifikationen entwickelt. In einer extremen Gestaltung, wo sich der Durchmesser der Verbindungselemente dem Durchmesser der Kugelbehälter nähert» entsteht ein Hochdruckkörper, dessen mittlerer Teil zylindrisch wird. Dadurch kann die mechanische Erzeugung des Hochdruckkörpers noch mehr vereinfacht werden, zugleich aber werden sich hier schon einige Nachteile der zylindrischen Form, namentlich die verschlechterten Festigkeits-

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bedingungen zeilen* Dazu treten noch die Schwierigkeiten bei dernkonstruktiven Lösung der Verteilungssysteme für das Frisch gas.., die die Grenze zwischen den einzelnen technologischen Schichten des ununterbrochenen Katalysatorbettes bilden sollen.

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BAD ORSGlMAL

Claims (3)

-12 - ·" Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Durchführung von exothermen katalytischen Gasreaktionen, z. B. der Ammoniak- oder Methanolsynthese, mit einem mehrkugeligen äußeren Hochdruckmantel, einem in diesem mit Spiel angebrachten und mit ihm kongruenten inneren Einbaumantel, einem in der Längsachse des: Einbaumantels angebrachten Einführungsmantel und einem oder mehreren, in dem Einführungsmantel übereinander angeordneten Wärmeaustauschern, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischem dem Einführungsmantel (5) und dem Einbaumantel (2) durch ein ununterbrochenes Katalysatorbett (8) ausgefüllt ist, das auf einem, in dem untersten der Kugelbehälter (18) eingebauten Tragrost¹ 'ruht, und daß zwischen den einzelnen Kugelbehältern (18) ringförmige Verbindungselemente (19) vorgesehen sind, die Einführungsstutzen (13) für das Frischgas tragen, wobei die Einführungsstutzen (13) zu inneren Verteilungsringeh (20) und an diese anknüpfende Verteilungsrohrsysteme mit einzelnen radialen Röhren (17) führen, die den ganzen Querschnitt , des Katalysatorbettes (8) durchsetzen und in ihm einzelne technologische Schichten abgrenzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Einbaumantel (2) an seiner das Katalysatorbett (8) kontaktierenden Innenwand mit einer Schutzschicht versehen ist und daß selbst sein kleinster, dem Innendurchmesser der Verbindungselemente (19)entsprechender Durchmesser größer ist als der des Mannloches (21) in dem obersten Kugelbehälter.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorkorngröße mit zunehmendem Durchflußquerschnitt des Katalysatorbettes (8) abnimmt und umgekehrt.

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