DE2021683C - Hochdruckreaktor zur Durchführung von exothermen katalytischen Gasreaktionen - Google Patents
Hochdruckreaktor zur Durchführung von exothermen katalytischen GasreaktionenInfo
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Description
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 his 4, 35 Dicke der Wände, die diesen Deckel tragen, zu groß
dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsein- wird.
richtungen für das kalte Gemisch einerseits durch Eine gewisse Verbesserung bei der Ausführung der
einen Umfangsverteilerring (20), der gleichzeitig bekannten Mischböden stellen Böden mit selbstaus-
die Funktion eines der Tragringe (20, 21) für die schüttbaren Mannlöchern dar. Hier ist es zwar mög-
Kassetten (19) hat, und andererseits durch Ra- 40 lieh, die Ausschüttmannlöcher aus dem Raum außer-
dialdüsen (22) gebildet sind, die aus dem Ver- halb des Druckkörpers des Reaktors leicht und si-
teilerring (20) austreten und die Mischkammer im multan zu betätigen, die eigentlichen Mischböden
Inneren der einzelnen Kassetten (19) durchset- bleiben jedoch fest. Die Füllung des Katalysators
zen. muß wieder stufenweise, gewöhnlich von der unter-
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 45 sten Schicht des Katalysators her, und durch direkte
dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Trag- Montage im Innern des zu füllenden Einbaus ausgeringe
(20) an dem äußeren Tragmantel (4) des fühii werden. Auch der Austausch oder die Repara-Einbaus
festgehalten sind, während die inneren tür des Einbaus setzen Montage- und Demontage-Tragringe
(21) mit Hilfe von Trägern gestützt maßnahmen über den ganzen Durchmesser des Einsind, die ebenfalls an dem Tragmantel (4) derart so baus voraus. Eine eventuelle Benutzung bei Reaktofestgehalten
sind, daß der Einführungsmantel (9) ren mit großem Volumen wird also wieder — außer
für den Hauptwärmeaustauscher (11) auf seiner anderen Umständen — durch die Notwendigkeit
ganzen Länge mit keiner de- Inneneinrichtungen einer Vergrößerung des Durchmessers des Mannlodes
Einbaues verbunden ist. ches und des das Mannloch schließenden Deckels
7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 55 verhindert, was — wie oben bereits erwähnt — undadurch
gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt tragbar ist.
der Kassetten (19) in der Richtung von der Mitte Bei einem neueren bekannten Ammoniaketagenre-
zum Umfang der Katalysatorsäule kontinuierlich aktor mit einem eingelegten zentrischen Wärmeausvergrößert.
tauscher und einer direkten Zwischenschichtkühlung
8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 60 der fortschreitenden Synthesemischung werden statt
dadurch gekennzeichnet, daß alle Zuleitungen der klassischen Mischetagen Mischkainmern in Form
(23) für die Kühlgase durch den Innenraum der zylindrischer Ringe benutzt. Es handelt sich um eine
Katalysatorsäule (15) geführt sind und mit den verhältnismäßig einfache Anordnung, bei der in der
anderen, technologischen Öffnungen (16, 17, 18) Katalysatorsäule in entsprechenden Höhen zylinden
unteren halbkugeligen Boden des Hochdruck- 65 drische Verteilerrihge gelagert sind, die von Vermantels
(1) des Reaktors durchsetzen. teUerkammern mit rhombischem oder quadratischem
Querschnitt umgeben sind. Das Synthesegemisch, das durch die Katalysatorsäule fließt, tritt in diese Misch-
frischen Gemisch, das aus de? Verteilerringen Wand vermieden werden. Die in Urafangsrichtung
•tritt. . auftretenden Unterschiede der Temperatur sind ge-Diese Anordnung ermöglicht zwar eine freie Fül- 5 ring und können durch weitere Maßnahmen (geringe
g und Ausschüttung des Katalysators, ohne daß Breite der Kassetten, Mischung des Synthesegemi-
weist dens-och einige schwerwiegende funktioneile noch verringert werden.
Montagenachteile auf. Sie gewährleistet vor al- Diese Mischböden ermöglichen eine vollkommene
nicht eine genügend gleichmäßige Vermischung io Vetaiischung der teilweise durchreagierten Gasmiheißen, teilwiise durchreagierten Synthesegemi- schung mit der eingespritzten kühlen Mischung, womit dem kalten Gemisch. Die toten, ungenü- bei der Charakter der Katalysatorsäule und die aagekühken Gebiete entstehen insbesondere in der durch bedingten Vorteile, wie ein schnelles Füllen
der Innenwände der beiden Mäntel, die die Ka- und Entleeren der Säule ohne eine Montagemaß-
der Innenwände der beiden Mäntel, die die Ka- und Entleeren der Säule ohne eine Montagemaß
orsüule an den Lagerungsorten der Mischkam- 15 nähme, nicht gestört wird. Man erhält einen Reaktor
glern umschließen. In diesen Gebieten gesteht die mit einer stetigen Katalysatorsäule und einer direkten
Gefahr einer Örtlichen Überhitzung des Katalysators, Zwischenschichtkühlung der Synthesemischung mitfahrend vieh im Gegensatz dazu in den Gebieten mit teis der frischen Mischung, die hinsichtlich Festigkeit,
wirksam! κ t Kühlung die Katalysatoreinwirkung er- Betriebszuverlässigkeit und einfacher Herstellbarkeit
niedrig! Im weiterer Nachteil liegt in einer schlech- 20 seine Benutzung auch für Großkapazitätseinheiten erten Zugärmlichkeit der Mischkammern, die wiederum nioglicht.
fest an ii in Tragmantel des Einbaus gehalten sind. Die Kassetten sind im einfachsten Fall in die
Die Reparatur oder der Austausch der Kammern, die Schicht des Katalysators in einer horizontalen Ebene
lehr leicht einer Nitrierung unterliegen, ist deshalb eingesetzt und im Grundriß gleichmäßig verteilt. Fur
höchst schwierig. Die festen Mischkammern behin- »5 den oberen Teil der Kassetten wird zweckmäßig eine
dem auch die Kontrolle der niedrigeren Räume und sattelartige, dachförmige oder halbkugelige Form geerfordern die Ausbildung eines Druckkörpers aiit wählt, die den freien Durchfall des Katalysators nicht
einem offenen oberen Ende, d. h. mit einer Möglich- behindert. Die oberen Flächen der Kassetten und
keit der Abmontierung des ganzen Einbaus. Also ver- eventuell ihre Seitenwände, deren Ablenkung von der
hindern auch in diesem Fall die technischen und Pro- 30 lotrechten Achse größer ist als 10°, d. h. die gegen
duktionsschwierigkeiten, die bei der Konstruktion des die Richtung und Strömung des Synthesegemisches
Hochdruckverschlusses für größere Durchmesser als gestellt sind, können durchlässig ausgeführt sein.
2 m auftreten, die Übertragung dieses Einbautyps auf Die Verteilungseinrichtungen für das kalte Ge
Bei einem anderen bekannten Hochdruckreaktor 35 teilerring, der gleichzeitig die Funktion eine«; der
lind ringförmige Böden in die durchgehende Kataly- Tragringe für die Kassetten hat und andererseits
ιatorsäule eingesetzt. Diese Böden bestehen aus zwei durch Radialdüsen gebildet werden, die am Innenum-•egeneinander gerichteten Konusfläcfeen, die an ihrer fang aus dem Verteilerring austreten und die Misch-Stoßfläche ein Rohr für die Zuführung von frischer kammern im Innern der einzelnen Kassetten durch-Kühlmischung aufweisen, die durch nach innen ge- 40 setzen.
richtete öffnungen im Rohr in die Katalysatorsäule Dabei ist es zweckmäßig, daß die äußeren Irag-
eingeleitet wird. ringe an dem äußeren Tragmantel des Einbaus festge-
Bei der bekannten Konstruktion ist es schwierig halten sind, während die inneren Tragringe mit Hilfe
oder sogar ausgeschlossen, die Kühlböden herauszu- von Trägern gestützt sind, die ebenfalls an dem Tragnehmen um sie zu reparieren oder auszutauschen. 45 mantel derart festgehalten sind, daß der Einfuhrungs-Die Kühlmischung wird längs einer Umfangsfläche mantel für den Hauptwärmeaustauscher auf seiner
des vom Synthesegemisch durchströmten Quer- ganzen Länge mit keiner der Inneneinrichtungen des
schnitte zugeführt. Infolgedessen ergibt rch ein in Einbaus verbunden ist. Diese Anordnung ermogucnt
Radialrichtung unterschiedliches Temperaturverhai- eine freie Verschiebung des ganzen Einfuhrungsmanten 50 tels und gleichzeitig dessen Herausnahme ohne die
Zugangsöffnung (Mannloch) der Mischboden leicht ten in der ringförmigen Katalysatorsaule ist es zweckaus- und eingebaut werden kann und bei dem eine mäßig, daß sich der Querschnitt der Kassetten von
gleichmäßigere Temperaturverteilung erzielbar ist. 55 der Mitte zum Umfang der Katalysatorsaule kontinu-
löst, daß die Mischböden aus mehreren, in Umfangs- Die einfache Anordnung der Katalysatorsaule und
richtung wenigstens zum Teil mit Abstand voneinan- der Kühlmischboden ermöglicht es, daß alle Zuleidcr liegenden, radial angeordneten Kassetten zusam- tungen der Kühlgase, d. h. des kalten frischen Gemi-• mengesetzt sind, die über Verteilungseinrichtungen 60 sches, durch den Innenraum der Katalysatorsaule gean Zuführungseinrichtungen, angeschlossen sind. führt werden. Es fällt nicht nur die Isolation an ihren
Derartige Kassetten erstrecken sich im wesentli- Austritten weg, sie können vielmehr noch an der indichen radial. Ihr Querschnitt kaim ohne weiteres so rekten Kühlung der Kata ysatorsaule te lnehmen.
bemessen werden daß sie mühelos aus dem Mann- Ferner durchsetzen die Zuleitungen, Js kalten Gern -loch herausgenommen werden können. Es genügt 65 sches vorzugsweise zusammen mit.den anderen techeine Abstützung am äußeren und am inneren Ende. nologischen öffnungen den unteren halbkugeligen
Wegen des radialen Verlaufs der Kassetten wird auch Boden des Hochdruckmantels das Reaktors
die Kühlmischung radial gleichmäßig zugeführt, d. h. Ein Ausführungsbeispiel eines Reaktors gemäß der
Erfindung ist im Zusammenhang mit den Zeichnun- gleichmäßigen gegenseitigen Abständen in radialer
gen näher erläutert. Es zeigt ' Richtung gelagert sind. Die Lücken zwischen den
j: F i g. 1 in einem senkrechten Axialschnitt die Ge- Kassetten 19 sind für den Durchfall des Katalysators
samtanordnung eines zylindrischen Reaktors für mitt- frei gelassen. Der Durchfall des Katalysators wird
ä lere und hohe Leistungen, der mit einer Dreischicht- 5 auch durch die Form der Kassetten erleichtert, die in
katalysatorsäule mit zwei Kassettenmischböden ver- dem dargstellten Fall dachförmig oder sattelartig ist.
sehen ist Auch andere Formen, z. B. eine bogenförmige Form,
F i g. 2 in einem senkrechten Axialschnitt eine De- die Form eines Kegelstumpfes u. dgl. können geeignet
tailausführung des Kassettenmischbodens, sein.
F i g. 3 eine Grundrißansicht auf den Boden gemäß io Die Kassetten 19, sind auf zwei Tragringen 20, 21
F i g. 2 und gelagert, von denen der äußere direkt am Tragman-
E F i g. 4 ein Schema des Durchflusses der Synthese- tel 4 des Einbaus und der innere mittels nicht darge-
mischung durch die Kassetten gemäß F i g. 1 bis 3. stellter Diagonalträger, die ebenfalls an dem Trag-
Der zylindrische Reaktor gemäß F i g. 1 ist mit mantel 4 befestigt sind, festgehalten ist. Der Außen-
einem Hochdruckmantel 1 versehen, der an beiden 15 tragring ist hier als ein Verteilerring 20 ausgeführt,
Ρ Enden mit halbkugeligen Böden abgeschlossen ist. In der die Verteilung des kalten, frischen Gemisches in
dem unteren Boden sind im wesentlichen alle techno- die einzelnen Kassetten vermittelt. Ebenfalls könnte
logischen öffnungen, d. h. ein Eintrittsstutzen 16 für auch der innere Tragring 21 als Verteilerring ausge-
f die Zufuhr des frischen Gemisches in die Reaktion, führt sein, der ohne irgendwelche feste oder zerleg-
ein Austrittsstutzen 17 für die Abfuhr des durchrea- ao bare Verbindung mit dem Einführungsmantel 9 ist.
gierten Gemisches und ein Ausschüttstutzen 18 zur Der ganze Kühlboden stellt also eine selbsttragende
Entnahme des Katalysators vorgesehen. Im Bedarfs- Konstruktion dar.
falle können mehrere Austrittsstutzen 17 oder Aus- Das Kühlgas wird den Verteilerringen 20 durch ein
schüttstutzen 18 durch den Boden geführt werden. oder mehrere Leitungen 23 zugeführt, die durch den
In dem oberen Boden des Hochdruckmantels ist 25 Raum der Katalysatorsäule 15 verlaufen und den
ein mit einem Deckel 3 verschlossenes Montage- halbkugeligen Boden des Hochdruckmantels durch-
mannloch 2 ausgebildet, dessen Durchmesser auf eine setzen. Aus dem Verteilerring 20 strömt das kalte
Größe begrenzt ist, die gerade zur Demontage eines Gemisch in Düsen 22, die jede Mischkammer radial
elektrischen Erhitzers 12, des eingesetzten Hauptwär- durchsetzen, welche mittels der zugehörigen Kassette
meaustauschers 11 und seines Mantels 10, eventuell 30 19 abgegrenzt ist.
zum Herausnehmen eines Einführungsmantels 9, der Die Funktion der Kassetten 19 und der durch diese
den Axialhohlraum der Katalysatorsäule 15 abgrenzt, Kassetten abgegrenzten Mischkamnjern ist am besten
ausreicht. aus der F * S- 4 ersichtlich. Der obere Teil der Kasset-Der
eigentliche Reaktoreinbau ist in einem Trag- ten 19, eventuell allgemein ihre Decke und alle Seimantel
4 eingeschlossen, der an der Innenwand mit 35 tenwande, die dem Strom des Synthesegases im Wege
einem isolierenden Innenmantel 5 versehen ist, der stehen und von der lotrechten Achse eine minimale
noch mit einem dünnen Innenschutzmantel 6 ge- Ablenkung von 10° haben, bestehen aus durchlässigeschützt
wird. Der Innenschutzmantel 6 besteht aus gen Materialien, wie gelochten Blechen, Roststäben,
selbständigen Teilen, die an dem Tragmantel 4 mit- Sieben usw. Der Boden der Kassette und eventuell
tels nicht dargestellter mechanischer kleiner Keile be- 40 auch Wände mit etwa lotrechtem Verlauf, also kleifestigt
sind, welche in am Tragmantel 4 befestigte nerer Ablenkung als 10°, sind undurchlässig und siösen
eingreifen. In dem oberen Teil der beiden Man- ehern die mechanische Starrheit der Kassette und die
tel 4 und 5 ist ein Mannloch 7 ausgebildet, das durch geeignete Orientierung des aus ihr austretenden Gaseinen
DeckelS geschlossen ist. Der ganze Einbau gemisches.
steht auf nicht dargestellten Radialrippen, die in dem 45 Das Synthesegemisch, das sich durch die Katalysa-
Boden des Hochdruckmantels untergebracht sind. . torsäule 15, die von allen Seiten die Kassetten um-
In der Längsachse des Einbaus ist der Einföh- schließt, in der Richtung von oben nach unten be-
rungsmantel 9 gelagert, der in der Katalysatorsäule wegt, tritt unter dem Einfluß des Druckgefälles durch
15 den axialen Längshohlraum abgrenzt In dem un- die durchlässigen Wände der Kassette 19 in ihren
teren Teil des Einführungsmantels 9 ist koaxial der 50 freien Mischraum ein. Hier wird es mit dem kühlen
Hauptwärmeaustauschermantel 10 und in ihm der Gas gemischt, das von den Düsen 22 eingespritzt
Rohr-Hauptwärmeaustauscher 11 gelagert. An seine wird. Der freie Wirbelraum und die verengte gerich-
verlängerten Rohre schließt sich oben der elektrische tete Gasausströmung aus der Kassette beeinflussen
Erhitzer 12 an, der vor allem beim Ingangsetzen des günstig die vollkommene Vermischung der beiden
Reaktors und eventuell zum Ausgleichen von War- 55 Teile der Gasgemische. Der freie Raum unter den
' meausschlägen bei Havariefällen eingeschaltet wird. Mischkammern ermöglicht dann eine gleichmäßige
Die Rohre des eingelegten Hauptwärmeaustauschers Verteilung des abgekühlten Gemisches in dem ganzen
11 münden unten in den Eintrittsstutzen 16. Der Ein- Katalysatorraum.
führungsmantel 9 ist an einem festen Tragrost 13 und Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, läßt die daranalog
der Hauptwärmeaustauschennantel 10 an 60 gestellte Konstruktion des Mischbodens eine freie
einer Trennwand 14 gehalten. Schüttung des Katalysators zwischen den Kassetten
In der ununterbrochenen Katalysatorsäule 15 sind der beiden Mischböden zu, so daß durch Verfüllen
in zu ihrer Längsachse senkrechten Ebenen zwei Kas- des freien Raums zwischen dem Einführungsmantel 9
settenmischboden untergebracht Eine beispielsweise und dem inneren Schutzmantel 6 eine zus lmmenhän-Konstruktionsanordnung
der,Mischböden oder Misch- 65 gende Katalysatorschicht gebildet wird. Ebenso leicht
ctagen ist ausführlich in F i g. 2, 3 und 4 dargestellt. · wie die Füllung ist auch die Entleerung des Katalysa-
Der Mischboden besteht hier aus einer größe- tors aus dem ganzen Volumen der ununterbrochenen
rcn Anzahl selbständiger Kassetten 19, die radial, mit SSuIe. Die radiale Anordnung einer geeigneten An-
zahl von Kassetten 19 sichert dabei eine vollkommene
Kühlung des heißen Gemisches in dem ganzen Querschnitt des Katalysators. Die Form und die
Breite der einzelnen Kassetten kann, wie schon angeführt wurde, beliebig nach dem Erfordernis bezüglich
der mechanischen Festigkeit und der Funktionsintensität gewählt werden. Der Umstand, daß die Mischböden
aus einer großen Anzahl verhältnismäßig kleiner Kassetten zusammengesetzt sind, sichert deren
einfache Herstellung, eine leichte Montage und Demontage des Mischbodens, eine einfache Reparatur
und Instandhaltung sowie gleichzeitig auch die Möglichkeit einer schnellen Revision in dem ganzen
Raum des Einbaus.
Die Anordnung der Kassettenmischböden nach der Erfindung trägt gleichzeitig zur vollkommenen Ausnutzung
des ganzen Funktionsraumes des,Einbaus und der Katalysatorschicht, und zwar bei einem minimalen
Druckverlust, bei. Sie paßt gut in die Konzeption eines Reaktors, der für mittlere und hohe Lei- ao
stungen bestimmt ist und der eine zweckmäßige Zwischenstufe zwischen den klassischen Zylinderreaktoren
und den Kugelreaktoren bildet. In dem Reaktor nach der Erfindung vereinen sich in geeigneter Weise
die vorteilhaften Festigkeitsbedingungen der Kugelform mit den Vorteilen der Zylinderreaktoren, "die
z. B. bessere Voraussetzungen zur Ausbildung der Mehrschichtkatalysatorsäule bieten.
Die halbkugelige Form der Böden und die einfache,
zweckmäßige Konstruktion des Einbaus, die leichte Zugänglichkeit der Wärmeisolierung vom Innern
des Einbaus, die leichte Zerlegung und das Herausnehmen der Mischböden, des Einführungsmantels
und des Haupt-Wärmeaustauscher ermöglichen, daß das Montagemannloch in dem Hochdruckmanlel und
der ihn schließende Hochdruckdeckel einen minimalen Durchmesser haben kann. Wie schon ausgeführt,
ist dieser Umstand eine wesentliche Bedingung zur Realisierung von Reaktoren mit großem Volumen
und hoher Kapazität.
Statt bei einem Zylinderkörper kann man die Mischböden nach der Erfindung auch bei anderen
Formen der Druckkörper, z. B. bei den schon benutzten Reaktoren verwenden, die durch Kombination
kugeliger und verbundener Zylinderglieder zusammengesetzt wären. Die Mischböden sind in diesem
Falle in der Ebene der Zylinderverbindungsglieder gelagert.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209*50/291
Claims (4)
1. Hochdruckreaktor zur Durchführung von nolsynthese, mit einem zylindrischen, beidseitig durch
exothermen katalytischen Gasreaktionen, iösbe- 5 halbkugelige Böden abgeschlossenen anbau und
sondere der Ammoniak- oder Methanolsynthese, einem darin zentral angeordneten, einen Wanneausmit
einem zylindrischen, beidseitig durch halbku- tauscher aufnehmenden Innenmantel, terner mit
gelige Böden abgeschlossenen Einbau und einem Mischböden in der im Ringraum angeordneten
darin zentral angeordneten, einen Wärmeaustau- durchgehenden Katalysatorsäule, die Anschlüsse für
scher aufnehmenden Innenmantel, ferner mit » die Zuführung und Verteilung von Kaltgas enthalten.
Mischböden in der im Ringraum angeordneten Die bekannten Menrschichtreaktoren mit Axiallauf
durchgehenden Katalysatorsäule, die Anschlüsse und Zwischenschichtkühlung der Synthesemischung
für die Zuführung und Verteilung von Kaltgas sind so aufgebaut, daß die Katalysatorfüllung durch
enthalten, da durch gekennzeichnet, daß die festen Mischböden in einige selbständige, voneindie
Mischböden aus mehreren, in Umfangsrich- 15 ander getrennte und übereinander gelagerte Schichten
tung wenigstens zum Teil mit Abstand voneinan- geteilt ist. Ein Nachteil dieser Anordnung, die bei beder
liegenden, radial angeordneten Kassetten (19) kannten Reaktortypen benutzt wird, die vorwiegend
zusammengesetzt sind, die über Verteilungsein- ' für niedrigere Leistungen bestimmt sind, ist gerade
richtungen (20, 22) an Zuführungseinrichtungen die feste Lagerung der Misch- oder Tragböden im
(23) angeschlossen sind. ao Einbau. Beim Füllen oder Entleeren des Katalysator
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn- müssen diese Etagen zusammen mit den weiterei,
zeichnet, daß die Kassetten (19) in die Schicht des Teilen des Einbaus stufenweise demontiert werden.
Katalysators in einer horizontalen Ebene einge- Der Austausch des Katalysators wird dadurch sehr
setzt und im Grundriß gleichmäßig verteilt schwierig und langsam, die Montagearbeiten im Insind,
as nern des schlanken Einbaus, also im staubigen Raum,
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch sind gefährlich und erfordern noch dazu, daß der
gekennzeichnet, daß der obere Teil der Kassetten ganze Querschnitt des Hochdruckraums frei bleibt. In
(19) dachförmig ist. keinem Fall ist es möglich, einen Hochdruckkörper
4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem verengten oberen Ende zu benutzen. Und
dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Flächen 30 umgekehrt, durch geometrische Vergrößerung des
der Kassetten (19) und eventuell ihre Seiten- Reaktortyps mit einem Mannloch, das den ganzen
wände, deren Ablenkung von der lotrechten Querschnitt des Hochdruckraums einnimmt, wird die
Achse größer als 10° ist, gasdurchlässig ausge- Grenze erreicht, an der die Herstellung des Hochführt
sind. druckdeckels nicht mehr realisierbar ist und auch die
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