DE1927850B - Vorrichtung zur Durchfuhrung von exothermen katalytischen Gasreaktionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft 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 kongruenten inneren Einbaumantel, einem in der Längsachse des Einbaumantels angebrachten Innenmantel und einem oder mehreren, in dem Innenmantel übereinander angeordneten Wärmeaustauschern. Die Vorrichtung eignet sich zur Durchführung von exothermen katalytischen Gasreaktionen, die unter erhöhten Temperaturen bzw. erhöhten Drükken geführt werden.

Die Bauart und Konstruktion von Reaktoren dieses Typs ist besonders vorteilhaft für die Produktion von Großleistungseinheiten.

Die meisten konventionellen Großraumreaktoren wurden einfach durch Vergrößerung der geometrischen Abmessungen der in der Industrie laufend benutzten Zylinderreaktoren konstruiert, wobei deren charakteristische Züge erhalten blieben. Das bedeutet, daß ihre Katalysatorfüllung meistens durch feste, mechanische Böden in mehrere selbständige, 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 Mischkammern 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 Montage 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 Großraumreaktor 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 Charakters 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.

An zweiter Stelle wächst aber bei der geometrischen Vergrößerung der Dimensionen und bei normalen Betriebsdrücken, etwa 300 at, 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 Ammoniakreaktoren ungefähr 1000 t Ammoniak pro Tag, was heute nicht mehr als genügend angesehen werden kann. Eine der wenigen Möglichkeiten der konstruktiven

ίο Lösung von Großraumreaktoren zur Durchführung von exothermen katalytischen Gasreaktionen stellt die Vorrichtung gemäß dem tschechoslowakischen Patent 116 440 dar. Der Druckkörper wird durch Verbindung von wenigstens einem kugeligen und zwei zylinderförmigen 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 nutzbares Volumen bei einer geringeren Wanddicke und dadurch auch bei geringerem Gesamtgewicht aufweisen. Die großen Zusatzspannungen in Richtung der Längsachse, die bei den Zylinderreaktoren vorkommen und durch den Druckdeckel bzw. durch ein System von Hilfsquerabstützungen beseitigt werden müssen, werden bei den Kugelbehältern in wesentlich 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, ermöglicht die mehrkugelige Ausstattung eine wirksamere und gleichmäßigere Kühlung des fortschreitenden Gasgemisches und dadurch auch eine viel bessere und empfindlichere Betätigung des Wärmeregimes während der Reaktion. Und es kommt noch dazu, daß in einem einfachen Kugelreaktor die Ausbildung eines mehrschichtigen 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 120180. Hiernach besteht der Synthesereaktor aus zwei oder mehr Kugelbehältern, die mit selbständigen, jeweils auf einem Tragrost gelagerten Katalysatorschichten gefüllt und durch zylinder- oder ringförmige Verbindungselemente aneinander angeschlossen sind. Die Querschnitte der Verbindungselemente und der Mannlöcher sind dabei kleiner als die der Kugelbehälter. In der Längsachse des inneren Einbaues ist in einem Innenmantel 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 der Wärmeführung während der Reaktion erfolgt ein direkter Wärmeaustausch zwischen dem teilweise durchreagierten, von einer in die funktionell nach-

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folgende Katalysatorschicht übertretenden Gas- Auf diese Weise ergibt sich eine Konstruktion, die

gemisch und dem kalten Frischgas. Dieser Austausch ein großes nutzbares Volumen aufweist und deshalb

geschieht in Mischkammern, die sich in dem Niveau auch für Hochleistungseinheiten verwendbar ist. Die

der zylinderförmigen Verbindungselemente zwischen Lösung beruht dabei auf dem Prinzip eines ununter-

dem Tragrost der einen und der Oberfläche der 5 brochenen Katalysatorbettes, das jedoch als ein

nächstfolgenden Katalysatorschicht befinden. mehrschichtiges Bett arbeitet, von dem Synthesegas-

Obwohl durch diese Ausstattung günstige Voraus- gemisch in axialer Richtung durchflossen wird und

Setzungen zur Realisation der Hochleistungsreaktoren mit einer direkten Zwischenschichtkühlung ausge-

gegeben waren, gelang es jedoch nicht, die bemängel- stattet ist.

ten Nachteile der klassischen Zylinderreaktoren zu io Der Einbaumantel kann an seiner das Katalysatorbeseitigen. Es sind hier nämlich die fest eingebauten bett kontaktierenden Innenwand mit einer Schutz-Tragroste geblieben, die beim Füllen und Entleeren schicht versehen und sein kleinster, dem Innendurchdes Katalysators wieder Schwierigkeiten verursachen. messer der Verbindungselemente entsprechender Zum Zweck der Demontage und Montage der Trag- Durchmesser größer als der Innendurchmesser des roste muß vor allem der Innenmantel des Wärme- 15 Mannloches im obersten Kugelbehälter sein,
austauschers zwischen den einzelnen Katalysator- In einem Reaktor, der auf die erfindungsgemäße schichten unterbrochen ungebildet werden. Die her- Weise konstruiert ist, gibt es die Möglichkeit, die ausnehmbaren, meist ringförmigen Mantelteile wer- Korngröße des Katalysators fließend oder stufenweise den dann durch lösbare Verbindungsstücke anein- zu wechseln, und zwar in einer indirekten Abhängigander angeschlossen. ao keit von dem Durchflußquerschnitt des Katalysator-

Der Austausch des desaktivierten Katalysators bettes. Mit dem zunehmenden Querschnitt des Kata-

stellt also auch hier einen komplizierten und zeit- lysatorbettes kann die Korngröße des Katalysators

raubenden Vorgang dar. Dazu benötigt man wieder zweckvoll herabgesetzt werden und umgekehrt. Da-

ein Mannloch von genügend großem Querschnitt, durch wird ein relativ regelmäßiger Durchfluß des

das den Querschnitt der engsten Stellen des Ein- 25 Gasgemisches durch den ganzen, einen veränder-

baues, d. h. der zylinderförmigen Verbindungs- liehen Querschnitt aufweisenden Katalysatorraum

elemente, überschreitet. Einen wesentlichen Nachteil erzielt.

stellt auch die Tatsache dar, daß die zwischen den Der Erfindungsgegenstand wird nachstehend an

einzelnen Kugelbehältern im Niveau der Verbin- Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh-

dungselemente ausgebildeten Mischräume bzw. 30 rungsbeispiels näher erörtert.

Mischkammern nur schlecht zugänglich sind, obwohl Der hier dargestellte Hochdruckreaktor besteht hier die Zuführungsleitungen des Frischgases ein- aus drei Kugelbehältern, die mittels zweier ringmünden und obwohl diese Teile des Hochdruck- förmiger Verbindungselemente zusammengesetzt körpers einer erhöhten Wirkung des aggressiven sind. In dem axial angeordneten Innenmantel ist ein Mediums ausgesetzt sind. Kein Wunder, daß diese 35 einziger Röhrenaustauscher gelagert. Die Zeichnung Tatsache zahlreiche ernste Defekte und oft das Aus- zeigt teilweise einen axialen Längsschnitt, teilweise setzen der ganzen Produktionseinheit zur Folge hat, eine Seitenansicht.

was insbesondere bei den Hochleistungseinheiten Ein Hochdruckmantel 1 des Synthesereaktors ist

höchst unerwünscht ist. durch drei Kugelbehälter 18 gebildet, die durch

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei 40 ringförmige, im Querschnitt trapezförmige Verbin-

einer Vorrichtung zur Durchführung von exothermen dungselemente 19 verbunden sind. In dem Hoch-

katalytischen Gasreaktionen auch die übriggeblie- druckmantel 1 ist ein Einbaumantel 2 mit einem

benen Nachteile des mehrkugeligen, mit einem mehr- notwendigen Spiel gelagert. Der Einbaumantel 2

schichtigen Katalysatorbett ausgestatteten Reaktors weist eine mit dem Hochdruckmantel kongruente

zu beseitigen. 45 Gestalt auf. Die Innenwand des Einbaumantels ist

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung mit einer Schutzschicht, beispielsweise aus reinem zur Durchführung von exothermen katalytischen Asbest, aus expandiertem Perlit oder keramischen, Gasreaktionen, insbesondere der Ammoniak- oder wärmeisolierenden Stoffen, z. B. Gasbeton, versehen. Methanolsynthese, mit einem mehrkugeligen äußeren Im obersten der drei Kugelbehälter des Hochdruck-Hochdruckmantel, wobei zwischen den einzelnen 50 körpers ist ein Mannloch 21 ausgebildet, das mit Kugelbehältern ringförmige Verbindungselemente einem Hochdruckdeckel 4 abgeschlossen ist. In ähnvorgesehen sind, die Einführungsstutzen für Frisch- licher Weise ist auch der Einbaumantel 2 mit einem gas tragen, einem im Hochdruckmantel mit Spiel dem Mannloch 21 entsprechenden Mannloch verangebrachten und mit ihm kongruenten, inneren sehen, das einen Niederdruckdeckel 5 trägt.
Einbaumantel, einem in der Längsachse des Einbau- 55 In der Längsachse des Hochdruckkörpers 1, und mantels angebrachten Innenmantel und einem oder zwar über die ganze Länge des ununterbrochenen mehreren, in dem Innenmantel übereinander ange- Katalysatorbettes 8 ist ein Innenmantel 6 angeordnet, ordneten Wärmeaustauschern, dadurch gekennzeich- Der Innenmantel stützt sich mit seinem unteren net, daß der Raum zwischen dem Innenmantel und Ende auf einen Tragrost 7, der in dem Bodenteil des dem Einbaumantel durch ein ununterbrochenes 60 untersten Kugelbehähers eingebaut ist. In dem Katalysatorbett ausgefüllt ist, das auf einem in dem Innenmantel ist unten ein Wärmeaustauscher 9 und untersten der Kugelbehälter eingebauten Tragrost oben ein elektrischer Erhitzer 10 angeordnet. Unter ruht, und daß die Einführungsstutzen zu inneren dem Tragrost 7 befindet sich eine undurchlässige Verteilungsringen und an diese anknüpfende Ver- Scheidewand 11, in die ein Wärmeaustauschermantel teilungsrohrsysteme mit einzelnen radialen Röhren 65 12 mit seinem unteren Ende einmündet,
führen, die den ganzen Querschnitt des Katalysator- Die einzelnen Funktionsschichten des Katalysatorbettes durchsetzen und in ihm einzelne Schichten bettes sind nicht mechanisch durch Roste oder Kühlabgrenzen, boden abgetrennt, sondern das ganze Kontaktbett ist

als eine ununterbrochene Katalysatorsäule ausgebildet.

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 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 Katalysatorschicht geleitet.

Die Zwischenkühlung 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. Dazu wird Frischgas dem Hochdruckkörper 1 durch die Einführungsstutzen 13 zugeführt und in der Katalysatormasse 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 Querschnitt 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 kann.

Von der letzten Katalysatorschicht wird das heiße durchreagierte Gasgemisch durch den Spalt zwischen dem Innenmantel 6 und dem Wärmeaustauschermantel 12 in den Röhrenzwischenraum des Wärmeaustauschers 9 geführt, wo es in einem indirekten Gegenstrom-Wärmeaustausch mit dem durch die Wärmeaustauscherröhren 9 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 16 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 Dampferzeugung gewünscht wird, ist es leicht möglich, durch eine relativ einfache Anordnung die gesamte Wärmeaustauschfläche in dem Druckkörper des Reaktors unterzubringen. Dazu gelangt man durch die geometrische Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche, die aber selbstverständlich auf Kosten des Katalysatorraumes geschieht. In diesem Falle wird die überflüssige Wärme in der Regel zur Speisewasservorwärmung benutzt.

In dem erfindungsgemäßen Synthesereaktor verbinden sich die günstigen Festigkeitseigenschaften der kugeligen bzw. mehrkugeligen Gestalt mit den Vorteilen der ununterbrochenen Katalysatorsäule, die jedoch unter Anwendung von relativ einfachen Mitteln als ein funktionell mehrschichtiges Katalysatorbett arbeitet.

Die Herstellung des Hochdruckbehälters durch das Zusammensetzen und Schweißen der einzelnen Kugelbehälter, die mit ringförmigen, die Verbindungselemente bildenden Endflanschen versehen sind, stellt keine großen Ansprüche. Auch dem Auflegen und dem Herausnehmen des Wärmeaustauschers oder des elektrischen Erhitzers aus dem Innenmantel bzw. der Demontage des Innenmantels 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 ein notwendiges Spiel den Durchmesser des Innenmantels 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 Großraumreaktoren.

Die Gestaltung des Mannloches mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der kleinste Durchmesser der Katalysatorsäule, ermöglicht neben der leichten Weise des Aufschüttens und der Entleerung der Katalysatorsäule es auch, daß die Schutzschicht, die nicht nur den Einbaumantel, 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 des Einbaumantels angebracht ist, sondern an der inneren Wand des Einbaumantels. Ihre Beschädigung wird dadurch leicht feststellbar, 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 Einbaumantels verlängert vielfach selbst die Lebensdauer des Einbaumantels.

Durch eine Abänderung des Durchmessers der Kugelbehälter sowie der Verbindungselemente, insbesondere durch die Abänderung ihrer Verhältnisse ist eine ganze Reihe von konstruktiven Modifikationen möglich.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Durchführung von exothermen katalytischen Gasreaktionen, insbesondere der Ammoniak- oder Methanolsynthese, mit einem mehrkugeligen äußeren Hochdruckmantel, wobei zwischen den einzelnen Kugelbehältern ringförmige Verbindungselemente vorgesehen sind, die Einführungsstutzen für das Frischgas tragen, einem im Hochdruckmantel mit Spiel angebrachten und mit ihm kongruenten inneren Einbaumantel, einem in der Längsachse des Einbaumantels angebrachten Innenmantel und einem oder mehreren, in dem Innenmantel übereinander angeordneten Wärmeaustauschern,

dadurchgekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Innenmantel (6) und dem Einbaumantel (2) durch ein ununterbrochenes Katalysatorbett (8) ausgefüllt ist, das auf einem in dem untersten der Kugelbehälter (18) eingebauten Tragrost (7) ruht, und daß die Einführungsstutzen (13) zu inneren Verteilungsringen (20) und an diese anknüpfende Verteilungsrohrsysteme mit einzelnen radialen Röhren (17) führen, die den ganzen Querschnitt des Katalysatorbettes (8)

durchsetzen und in ihm einzelne Schichten abgrenzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 514/379