DE2123650B2 - Reaktor fuer exotherme katalytische verfahren - Google Patents
Reaktor fuer exotherme katalytische verfahrenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Reaktor für exotherme katalytische Verfahren bei hohen Drücken und Temperaturen
wie die Ammoniak· oder Methanolsynthcsc. bestehend aus einem senkrechten Druckkörper mit
hintereinandergeschaltcten Katalysatorvorlagen und Wärmeaustauschern, einer im oberen Teil des Reaktors
angeordneten, adiabatisch arbeitenden, radial durchströmten Katalysatorzone, einem Zentralrohr mit
elektrischer Heizeinrichtung sowie Sammel- und Mischkammer.
Ein derartiger Reaktor ist durcn die OE-PS 2 66 168
bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Reaktor nimmt die Katalysatorzone oberhalb des Kühlröhrensystems
nahezu den gesamten Querschnitt des Reaktors ein und verläuft dann zu beiden Seiten der Kühlröhrenzone
weiter nach unten und begrenzt diese von zwei Seiten, so daß die Kühlröhrenzone als schmaler Streifen
ausgebildet ist. Die Bewegung der Gase innerhalb dieser Katalysatorzone erfolgt somit von einem Ende zum
anderen jeweils senkrecht zum Gaszuführungsrohr hin und von deren Mitte nach außen und jeweils über Gitter
durch die Kühlröhrenzone hindurch. Die Kühlröhren sind als normale einfache Röhren ausgebildet. Unterhalb
der Kühlröhrenzone überdeckt die Katalysatorzonc diese wieder und es schließt sich daran der
Hauptwänneiauscher an, dci mit einfachen leeren
Kühlröhren bestückt ist, die in Querrichtung vom ziigefühi ten Gasstrom umspült werden, /.wischen
mehreren jeweils übereinander angeordneten Kühlröhrenzonen ist ein Sammelkasten angeordnet, der
lediglich einen freien Raum begrenzt.
Nachteilig hieran ist. daß der Raum, der von der Katalysatorzone eingenommen wird, nur einen verhältnismäßig
geringen Prozentsatz des Gesamtvolumens des Reaktors ausmach'. Auch besteht die Gefahr der
Bildung bevorzugter Gaskanäle in der Katalysatorzone.
was weiter zur unvollkommnen Ausnutzung beitragt. Der Betrieb dieses bekannten Reaktors ist damit relativ
unwirtschaftlich. Darüber hinaus ist auch der Wärmeaustausch nicht optimal, da einfache Kühlröhren
Verwendung finden. Dies wiederum wirkt sich nachteilig auf die thermische Beständigkeit des Reaktors
während des Betriebes aus. Schließlich weist er einen relativ hohen Strömungswiderstand auf.
Ein Reaktor der eingangs genannten Art ist ferner ίο durch die DT-OS 15 42 278 bekanntgeworden. Bei
diesem in liegender Bauweise ausgeführten Reaktor erstreckt sich die Katalysatorzone im wesentlichen über
den gesamten Querschnitt des Innenraums des Reaktors und ist mehrmals durch mit Kühlröhren bestückte
Wärmetauscher getrennt, die ebenfalls den gesamten Innenraum an dieser Stelle einnehmen und denen das
kalte Gas getrennt zugeführt wird. Bei diesem bekannten Reaktor erfolgt die Bewegung der Gase
innerhalb der Katalysatorzonen ebenfalls senkrecht zur Gaszuführung, wobei die Katalysatorzonen zum Gasein-
und -austritt am Umfang von Schlitzblechen umgi-veii sind. Auch hier ergeben sich im wesentlichen
die zum Reaktor der OE-PS 2 66 168 genannten Nachteile. Darüber hinaus is: wegen der Einzeliemperatursieuerungen
der Betrieb relativ kompliziert.
Aus der TR-PS 14 98 803 ist schließlich ein Reaktor
bekanntgeworden, in dessen Katalysator konzentrische Rohre üblicher Bauart eingebettet sind. Ansonsten ist
bei diesem bekannten Reaktor die Katalysatorzone vom Wärmetauscher vollkommen getrennt, wobei die
Katalysaiorzone über der Wärmetauscherzone angeordnet ist.
Es ergeben sich also auch hier die obengenannten Machteile der ungenügenden Ausnutzung des Reaktors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor für exothermische katalytische Verfahren tier
eingangs genannten Art /u schaffen, der diese Nachteile vermeidet und eine in wirtschaftlicher Hinsicht wesentlich
bessere Ausnutzung bei größerer thermischer Beständigkeit gestattet.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen kegclstumpfförmig ausgebildeten Korb zur
Aufnahme der adiabctisch arbeitenden Katalysator/oiu'
mit radialer Gas/.uführung, eine mit Leitblechen versehene Mischkammer am unteren Ende des siebförmig
gestalteten Katalysatorkorbs, mehrere konzentrisch angeordnete Wärmeaustauscherdoppelrohre in
der mittleren Katalysatorvorlage bestehend aus je einem Außcnrohr und einem zu diesem konzentrischen
sich nach oben konisch verjüngenden Innenrohr mil Synthosegaskissenisolicrung und Druckausgleichsöffnungen
sowie einen im unteren Teil des Reaktor1 angeordneten Wärmeaustauscher, der sowohl innerhall·
als auch außerhalb der ihn durchlaufenden Rohre mi Metallkugeln gefüllt ist.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen de: Reaktors sind im folgenden im Zusammenhang mit dci
Zeichnungen beschrieben. Hs zeigt
E i g. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch dei erfindungsgemäßen Reaktor.
F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie AA der 1-" i g.
und
F i g. 3 das Innenrohr eines beim erfindungsgemäßei
Reaktor verwendeten Wäriv.eaustauscherdoppelrohre
111 vergrößertem Maßstab.
Der in der Zeichnung dargestellte Reaktor finde vorzugsweise dann Anwendung, wenn ein Synthesega
mit niedrigem Inertgeh ill, d.h. unter 20% zAigeführ
wird. Das .Synthesegas mit niedrigem Inertgehall wird in
den Reaktor durch dessen Kopf 1 eingeleitet, strömt unter einer schraubenförmigen Abwärtsbewegung
durch einen ringförmigen Raum j zwischen dem Reakiormantei 2 und dem eigentlichen Innenkörper 3.
in welchem es sich auf Grund von Wärmeverlusten des Innenkörpers 3 bis auf 50 bis 60° C erwärmt.
Durch diesen Umlauf wird die Erhitzung des Reaktormantels 2 auf über !00° C vermieden.
Danach strömt das Gas durch metallische Siebe 4 und dringt in einen Rohrzwischenraum b eines Wärmeauslauschers
5 ein, in welchem es sich auf Grund der Wärme der Jen Reaktor verlassenden umgesetzten
Gase erwärmt, wobei die metallischen Siebe 4 zum Zurückhalten der gegebenenfalls vom Gas mitgcschleppten
mechanischen Teilchen und zum Tragen der Metallkugelfüllung 6 bestimmt sind. Die Metallkugeln 6
sind aus unlegiertem Kohlenstoffstahl mit einem bestimmten Oberflächenbearbeitungsgrad und füllen
ilen Rohrzwischenraum ödes Wärmeaustauschers 5 zur
Verbesserung des Wärmeübergangs. Die gewählte rüllhöhe der Metalikugeln 6 im Rohrzwischenraum b
festauet eine Bewegung der Metallkugeln 6, damit sie
sich während des Betriebes von angelagerten Verunreinigungen selbst reinigen können.
Aus dem Rohrzwischenraum b des Wärmeaustauschers
5 strömt das auf die Temperatur von 300 bis 350 1C erhitzte Gas durch eine Lochplatte 7 die ein
eventuelles Mitnehmen der Metallkugeln 6 vom Gas. wenn diese fluidisieren oder wenn Durchflußschwanklingen
bestehen, vermeiden soll.
Dann wird das Gus in einer Verteilerkammer c
gesammelt, aus der heraus es dann in konzentrische Doppelrohre vom Held-Typ hineinströmt, die aus einem
Außenrohr 8 und einem konzentrischen Innenrohr 9 ^5
bestehen, wobei zwischen den Rohren 8 und 9 Führungsrippen 10 angeordnet sind (1- 1 g. 3).
Das Gas strömt also durch die konzentrischen Doppelrohre, und zwar tritt es durch das untere linde
des Innenrohres 9 ein, worin es bis auf 370 C erwärmt
Wird, strömt dann durch den oberen Teil in den
ringförmigen Raum d zwischen den konzentrischen Rohren 8 und 9 und wird bei seiner Abwärtsbewegung
weiter auf 400 bis 4!0C auf Grund de: Reaktionswärme
der Katal·.satorvorlagc 11, in der die konzentrischen
Doppel-Rohre angeordnet sind, mittels Wärmeüberfang
erhitzt.
Das Innenrohr 9 weist am oberen Teil eine
veränderliche Dicke mit konischem Profil auf, welche durch die variable Geschwindigkeit des Gases einen
geregelten Wärmeübergang sichert, so daß ein optimaler Temperaturverlauf in der Kalalysaiorniasse erreicht
werden kann.
Ebenlalls zum Erreichen eines optimalen Tempera-Uirverlaufs
in der Katalysatormasse und zur Sicherung der erforderlichen Temperatur zum Einleiten der
Reaktion beim Eintritt des Gases in eine am oberen Teil des Reaktors angeordnete andere Katalysatorschicht
12, ist das Innenrohr 9 an seinem unteren Teil nut einem
Teil ezur thermischen Synthesegaskissenisolierung und
Druckausgleichsöffnungen /"versehen ( F1 g. 3).
Das Gas strömt dann durch den unteren Teil des Außenrohres 8 aus den konzentrischen Doppelrohren
aus und tritt in einen ringförmigen Raum g /wischen dem Zentralrohr 13 und einem elektrischen I lei/Mab 14
ein, in welchem es sich auf 410 bis 420 C erhitzt. Bei
dieser Temperatur tritt das Gas in die Katalysator schicht 12 radial ein.
Die Katalysatorschicht 12 ist kegelstumpfförmig in einem mit Sieben ausgekleideten Lochkorb 15 angeordnet
und bildet eine adiabatische Katalysatorzone, in welcher die Temperatur des Gases bis auf 510 bis 520" C
ansteigt, wobei die entwickelte Wärme eine Selbstbeschleunigung der Reaktion des aus der Ka'aiysatorschicht
12 austretenden und in eine Mischkammer 16 eintretenden Gases bewirkt. Das Verhältnis zwischen
Höhe und Dicke der Katalysatorschicht 12 beträgt etwj
5:1. Die Katalysaiorschicht 12 ist zum Vermeiden einer Temperaturerhöhung des Gases auf über 52O1C durch
entsprechendes Verteilen der Wärme bestimmt.
In die Mischkammer 16 (Fig. 1) treten die Gase durch die Öffnungen h ein und werden mittels der Flügel
17 ( Fi g. 2). die zwischen einem Ring 18 und dem Boden des Lochkorbes 15 angebracht sind, tangential geleilet.
Durch die so erzeugte Wirbelbewegung wird eine Kanalbildung in der Katalysatorvorlage 11 verhindert
und die Gase werden homogenisiert, so daß die negative Einwirkung, die gegebenenfalls durch Bildung von
bevorzugten Kanälen beim Durchströmen der KataU satorschicht 12 auftreten könnte, annulliert w ird.
Der mit den Sieben ausgekleidete Katalysatorkorb 15
und cue Mischkammer 16 sind fest zusammengebaut, so daß sii' vom Rest des Innenkörpers 3 mittels eines
Rohres 19 (Fig. 1 und 2). das um das Zeiiir.ilrohr 13
gelegt ist. abmontiert werden können.
Aus der Mischkammer 16 strömt das Gas weiter durch eine Lochplatte 20, die mit metallischen Sieben 21
ausgekleidet ist und tritt dann in die Kaialysiitorvorlage
11 ein.
Die Lochplatte 20 mit den dazugehörigen Sieben 21 tritt weiterhin zur Vereinhe 'lichung des Gysstroms
beim Eintritt in die Kaialysatorvorlage Il bei und vermeidet somit dessen Wirbclwirkung, die zum
Zermahlen des Katalysators und Vers; >i)hmg des
Reaktors führen würde.
In der Katalysatorvorlage 11 reagiert da*- (Sas bei
einem optimalen Temperaturverlauf.
Beim Austritt aus der Katalysatorvorlage II strömt
das umgesetzte Gas durch eine mit Kugeln 22 versehene Schicht, in der die Katalysatorteilchen zurückgehalten
werden, dann durch die Siebe 23 und verläßt die Katalysaiorvorlage 11 durch einen Rost 24. der die
Katalysatorvorlage 11 trägt.
Das Gas strömt dann weiter durch den ringförmigen Raum / zwischen der Verteilerkammer c* und dem
Innenkörper 3 und tritt in einen rohrförmigen Raum / des Wärmeaustauschers 5, der ebenfalls mit Metallkugeln
25 derselben Gi(Mk- wie die Kugein f\ uud 22 gefüllt
ist. WoI)Ci die Metallkugeln 25 von Ringen 2b getragen
sind.
Eine Verstopfung des die Metallkugeln 25 enthaltenden
rohrförmigen Raumes / mit vom Gas eventuell mitgeschleppten Katalysatorteiichen ist nicht möglich,
weil die Gasgeschwindigkeit beim Durchströmen der mit den Kugeln 25 versehenen Schicht etwa viermal
größer ist als beim Druchxtrömen der mit den Kugeln 22
versehenen Schicht.
Bei großen Gas-Geschwindigkeiten können die Mctalikugcln 25 durch Metallstäbchen mit quadratischem
Profil ersetzt werden.
Das (ias tiitt dann bis auf eine Temperaiui von 200
bis 250c C gekühlt aus dem Wärmeaustauscher 5 und
verläßt den Reaktor an dessen unitvem Teil.
Zur Regelung der Arbeitstemperaturen in den Katalysatorschichten 11 und 12 ist der Reaktor mit
einem Kaltizaszulauf 27 verschen, der das kalte Gas in
den Rohrzwischcnrauin b des Wärmeaustauschers 1J
speist.
Zur Messung der Temperaturen in den Katalysator schichten 11 und 12 ist der Reaktor mit zwei
symmetrisch angeordneten stabförmige!! Vorrichtungen 28 verschen.
Da der Wärmeaustauscher 5 kleine Dimensionen hat und hohe Temperaturgradiente aufweist, besitzt er
rohrförmige Platten 29. die mittels Asbestplatten 30 thermisch geschützt sind.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Reaktor für exotherme katalytische Verfahren bei hohen Drücken und Temperaturen wie die Ammoniak- oder Methanolsynihese. bestehend aus einem senkrechten Druckkörper mit hintereinandergeschalteten Katalysatorvorlagen und Wärmeaustauschern, einer im oberen Teil des Reaktors angeordneten, adiabatisch arbeitenden, radial durchströmten Katalysatorzone, einem Zentralrohr mit elektrischer Heizeinrichtung sowie Sammel- und Mischkammer, gekennzeichnet durch einen kegelstumpfförmig ausgebildeten Korb (15) zur Aufnahme der adiabatisch arbeitenden Katalyiatorzone (12) mit radialer Gaszuführung, eine mit Leitblechen (17) versehene Mischkammer (16) am unteren Ende des siebförmig gestalteten Kaialysatorkorbs (15), mehrere konzentrisch angeordnete Wärmeaustauscherdoppelrohre (8,9) in der mittleren Katalysatorvorlage (U), bestehend aus je einem Auüenrohr (8) und einem zu diesem konzentrischen, sich nach oben konisch verjüngenden Innenrohr (9), mit .Synthesegaskissenisolierung (e) und Druckausgleichsöffnungen (0 sowie einem im unteren Teil des Reaktors angeordneten Wärmeaustauscher (5), der sowohl innerhalb als auch außerhalb der ihn durchlaufenden Rohre mit Metallkugeln (25) gefüllt ist.
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