DE2201528B1 - Reaktionsapparat zur durchfuehrung exo- und endothermer katalytischer prozesse mit radialstroemung des waermetauschmittels - Google Patents

Reaktionsapparat zur durchfuehrung exo- und endothermer katalytischer prozesse mit radialstroemung des waermetauschmittels

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktionsapparat zur Durchführung exo- und endothermer katalytischer Reaktionen. Eine übliche Bauart solcher Apparate besteht aus einem Behälter, in dem ein vertikales Kontaktrohrbündel untergebracht ist. Diese Kontaktrohre, die eine Katalysatormasse enthalten, sind mit ihren Enden in Rohrboden abdichtend befestigt und münden in je eine am oberen bzw. unteren Ende mit dem Behälter verbundene Haube. Über diese Hauben wird ein die Kontaktrohre durchströmendes Reaktionsgas zu- bzw. abgeführt.
Ferner wird im allgemeinen ein Wärmetauschmittel durch den die Kontaktrohre umgebenden Raum des Behälters geleitet, um die jeweils nach Art des chemischen Prozesses frei werdende oder verbrauchte Wärme aufzunehmen bzw. zu ergänzen. Dieses Wärmetauschmittel wird nach dem Austritt aus dem Behälter durch eine Kühl- bzw. Heizeinrichtung wieder auf seine ursprüngliche Temperatur gebracht, bevor es im Kreislauf wieder in den Behälter eintritt.
ίο Zur gleichmäßigen äußeren Beaufschlagung der Kontaktrohre durch das Wärmetauschmittel in dem axial durchströmten mittleren Bereich hat man Verteilerplatten angeordnet, deren Durchtrittsöffnungen entsprechend dem Druckhöhenverlust des in den beiden Endbereichen quer zu den Kontaktrohren, also parallel zu den Verteilerplatten geführten Wärmetauschmittels unterschiedlich bemessen sind. Ferner hat man an Stelle der vorwiegenden Längsströmung auch schon eine vorwiegende Querströmung des Wärmetauschmittels mit Bezug auf die Kontaktrohre vorgesehen, und zwar durch Anordnung von Umlenkscheiben, die abwechselnd an den gegenüberliegenden Seiten einen Durchtrittsquerschnitt frei lassen (deutsche Auslegeschrift 1 039 040).
Ein solcher Strömungsverlauf eignet sich aber nicht für Reaktionsapparate großer Leistungen, bei denen wegen der großen Zahl von Kontaktrohren auch das Verhältnis von Durchmesser zur Länge des Reaktionsbehälters entsprechend groß ist und deshalb der Strömungswiderstand für das Wärmetauschmittel durch die vielen in jedem Zuge der mehrfachen Umlenkungen quer zu seiner Strömungsrichtung verlaufenden Kontaktrohre vergleichsweise sehr groß ist. Dafür ist nämlich einerseits eine unwirtschaftlich große Umwälzleistung für das Wärmetauschmittel erforderlich, andererseits strömt ein unzulässig hoher Teil desselben durch die Spalte zwischen den einzelnen Kontaktrohren und den Umlenkscheiben.
Die Mangel der reinen Querströmung des Wärmetauschmittels können mit einer Radialströmung vermieden werden, bei der das Wärmetauschmittel innerhalb des Reaktionsbehälters durch Anordnung von Umlenkscheiben, die abwechselnd in der Mitte und an ihrem äußeren Rand einen Durchtrittsquerschnitt frei lassen, nacheinander jeweils von außen nach innen und von innen nach außen geleitet wird. Diese Anordnung ist insbesondere für ringförmig angeordnete Rohrbündel mit einem freien zentralen Raum geeignet und für Wärmetauscher an sich bekannt (britische Patentschrift 310 157).
Im Zusammenhang mit der Kreislaufführung eines Wärmetauschmittels über einen außenliegenden Wärmetauscher ist bei Rohrbündelapparaten auch die Anordnung von Ringleitungen an den beiden Enden des Reaktionsbehälters mit über den ganzen Umfang desselben verteilten Öffnungen zur gleichmäßigen radialen Zu- bzw. Abführung des Wärmetauschmittels bei dessen axialer Führung im ganzen mittleren Bereich der Kontaktrohre bekannt (deutsche Offenlegungsschrift 1 601 162).
Bei solchen Reaktionsapparaten wird vielfach angestrebt, die Temperaturdifferenz des Wärmetauschmittels sowohl in einem waagerechten Schnitt als auch zwischen Ein- und Austritt des ganzen Apparates möglichst konstant zu halten. In speziellen Fällen ist es nun aber erforderlich, den Temperaturverlauf entlang der Kontaktrohre nicht konstant zu
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halten, um eine möglichst hohe Ausbeute beim Strömungsgeschwindigkeit und damit Wärmeübertra-
Reaktionsvorgang zu erzielen. gung innerhalb der einzelnen Radialströmungs-
Die Erfindung geht deshalb von der Überlegung bereiche zwischen zwei benachbarten Umlenkaus, die Temperaturcharakteristik des Wärmetausch- scheiben zu erreichen.
mittels entlang den Kontaktrohren in bestimmter 5 In der Mitte des Reaktionsapparates ist ein verti-Weise zu verändern. Dazu bedarf es zusätzlicher kales Rohr 9 angebracht, an dem die inneren UmMaßnahmen zum Beeinflussen der Wärmeabfuhr lenkscheiben 8 befestigt sind.
bzw. -zufuhr. Demgemäß besteht die Erfindung, aus- Zur Zu- und Abführung eines Wärmetauschgehend von dem zuletzt beschriebenen, bekannten mittels, das bei Durchführung eines exothermen Reaktionsapparat, darin, daß in Verbindung mit der io chemischen Prozesses die beim Reaktionsvorgang an sich bekannten abwechselnd einwärts und aus- in den Kontaktrohren frei werdende Wärme aufwärts gerichteten Radialströmung des Wärmetausch- nehmen soll, ist der Reaktionsbehälter 1 am oberen mittels ferner mindestens eine weitere Ringleitung und unteren Ende über ringsum verteilte Mantelzum Zu- oder Abführen einer regelbaren Teilmenge Öffnungen 10, 11 mit je einer Ringleitung 12, 13 des Wärmetauschmittels an mindestens einer 15 verbunden.
Zwischenstelle angeordnet ist. Die beiden Ringleitungen 12, 13 sind über Rohr-
Dabei werden die Spalte zwischen den Umlenk- stutzen 14, 15 mit dem Gehäuse 16 des Kühlers verscheiben und den Kontaktrohren vorteilhaft derart bunden, in dem eine Rohrschlange 17 mit außenausgebildet, daß die Querströmgeschwindigkeit inner- liegenden Zu- und Ableitungen angeordnet ist. halb einer Zone annähernd konstant gehalten wird, 30 Außerdem ist in das Kühlergehäuse von oben her wodurch erreicht wird, daß auch der Wärmeüber- eine von einem Elektromotor 18 angetriebene Axialgang innerhalb einer Zone konstant ist. In Verbin- pumpe 19 eingebaut.
dung mit unterschiedlichen Abständen der Umlenk- Zwischen den beiden Ringleitungen 12, 13 sind scheiben wird auch erreicht, daß die Temperatur- unmittelbar oberhalb bzw. unterhalb einer gegen den differenzen und die Druckverluste in einem waage- 25 Mantel des Reaktionsbehälters 1 abdichtenden ringrechten Schnitt innerhalb einer Zone auf ein Mini- förmigen Umlenkscheibe 7 zwei weitere Ringkanäle mum reduziert werden. 20, 21 angeordnet, die ebenfalls einerseits mit dem
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der die Kontaktrohre 2 umgebenden Innenraum des ReErfindung ist der Reaktionsbehälter durch min- aktionsbehälters 1 über ringsum verteilte Manteldestens eine quer zu den Kontaktrohren durch- 3° Öffnungen 22, 23 in Verbindung stehen und anderergehende Trennscheibe in zwei oder mehr Abschnitte seits über Rohrstutzen 24, 25 an das Kühlgehäuse 16 unterteilt, wobei für jeden Abschnitt besondere Zu- angeschlossen sind. Der Durchtrittsquerschnitt der und Abführungen des Wärmetauschmittels angeord- Rohrstutzen 24, 25 kann durch einstellbare Drosselnet sind. Im Zusammenhang damit kann es sich organe 26, 27 verändert werden,
empfehlen, für jeden Bereich des durch einen Ab- 35 Die Betriebsweise dieser Einrichtung ist folgende: schnitt des Reaktionsbehälters geführten Wärme- Das durch die Axialpumpe 19 entsprechend den tauschmittels eine besondere Umwälzpumpe und Pfeillinien im Kreislauf durch den Reaktionsgegebenenfalls auch einen besonderen Wärme- behälter 1 und das Kühlergehäuse 16 umgewälzte tauscher vorzusehen. Dabei können ferner sogar für Wärmetauschmittel tritt über den oberen Rohrdie einzelnen, durch Trennscheiben gegeneinander 40 stutzen 14, den oberen Ringkanal 12 und die zuabgegrenzten Abschnitte des Reaktionsbehälters ver- gehörigen Mantelöffnungen 10 in den Reaktionsschiedene Wärmetauschmittel und/oder für die zu- behälter 1 ein. Dort durchströmt es zunächst radial gehörigen Bereiche der Kontaktrohre verschiedene einwärts den obersten Abschnitt der Kontaktrohre 2 Kontaktmassen verwendet werden. zwischen dem oberen Rohrboden 3 und der obersten
Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeich- 45 ringförmigen Umlenkscheibe 7. Nach der Umkehr
nung in mehreren Ausführungsformen beispielsweise der Strömungsrichtung in dem rohrfreien, zentralen
schematisch dargestellt. Teil des Innenraumes gelangt das Wärmetausch-
Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen Reaktions- mittel dann zwischen der obersten Umlenkscheibe 7 behälter 1, in dem ein ringförmig angeordnetes Bün- und der nächstfolgenden Umlenkscheibe 8 der andel vertikaler Kontaktrohre 2 sich befindet. Die 50 deren Gruppe radial auswärts bis an den Mantel Kontaktrohre sind mit ihren Enden in einem obe- des Reaktionsbehälters. Diese abwechselnden Einren und einem unteren Rohrboden 3 bzw. 4 abdich- wärts- und Auswärtsströmungen wiederholen sich tend befestigt und münden in anschließende Hau- noch mehrmals, bis das Wärmetauschmittel am ben 5 bzw. 6. unteren Ende des Reaktionsbehälters 1 durch die
Die Kontaktrohre sind, wie üblich, mit einer 55 Mantelöffnungen 11, die Ringleitung 13 und den
Katalysatormasse gefüllt und werden von einem Rohrstutzen 15 in das Kühlergehäuse 16 eintritt, um
Reaktionsgas von oben nach unten oder umgekehrt dort die von den Kontaktrohren 2 aufgenommene
durchströmt. Wärme an die von einem Kühlmittel durchströmte
Quer zu den Kontaktrohren 2 sind in Abständen Rohrschlange 17 wieder abzugeben,
mehrere horizontale Umlenkscheiben angeordnet, die 60 Da im oberen Bereich des Reaktionsbehälters in zwei Gruppen 7, 8 abwechselnd in der Mitte und relativ die meiste Wärme anfällt, wird ein Teil des an ihrem Außenrand Durchtrittsquerschnitte frei- Wärmetauschmittels nach entsprechender Tempegeben. Außerdem weisen diese Umlenkscheiben an ratursteigerung bereits nach einer inneren Umden Stellen der durch sie hindurchgeführten Kon- lenkung durch die Ringleitung 20 und den Rohrtaktrohre 2 Ringspalte auf, deren Breite und damit 65 stutzen 24 in das Kühlergehäuse 16 zurückgeleitet. Durchtrittsquerschnitt gegebenenfalls etwas unter- Eine weitere Teilmenge wird nach der nächsten schiedlich bemessen ist, um durch die dadurch ver- inneren Umlenkung durch die Ringleitung 21 und ursachten Leckströme eine möglichst gleichmäßige den Rohrstutzen 25 in das Kühlergehäuse 16 zurück-
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geleitet, während die restliche Teilmenge im Reak- 44 in drei nicht miteinander verbundene, übereintionsbehälter bis zum unteren Ende verbleibt. Durch anderliegende Abschnitte 42', 42", 42'" unterteilt die Regelung der vorher abgezweigten Teilmengen ist. Jeder dieser Abschnitte kann bezüglich der Bemittels der Drosselorgane 26, 27 kann eine be- triebsweise als Reaktor oder als sonstiger Wärmestimmte Temperaturcharakteristik des Wärmetausch- 5 tauscher mit eigener Umwälzpumpe und selbständiger mittels in Längsrichtung der Kontaktrohre 2 ent- Regelung für sich betrachtet werden. Im Abschnitt sprechend der von oben nach unten unterschiedlich 42' wird das Wärmetauschmittel im Kreislauf mittels anfallenden Wärme erreicht werden. der Pumpe 45 und über die Ringleitungen 46, 47
F i g. 2 und 3 verdeutlichen im Querschnitt durch umgewälzt. Dieser Abschnitt ist exotherm und hat die Ringleitungen 12,13 und die zugehörigen ringsum io eine niedrigere Temperatur als der benachbarte Abverteilten Mantelöffnungen 10, 11 die gleichmäßige schnitt 42". Die Regelung des Abschnittes 42' erfolgt radiale Zu- bzw. Abführung des Wärmetausch- dadurch, daß eine mittels des Regelorgans 48 vermittels, änderbare Teilmenge von relativ kälterem Wärme-
F i g. 4 zeigt eine andere Anordnung bezüglich tauschmittel aus dem Abschnitt 42" zugeführt wird, des Umlaufsystems des Wärmetauschmittels im 15 Die Einstellung des Regelorgans 48 erfolgt selbst-Sinne der Erfindung. Es erfolgt außer der Zuführung tätig in Abhängigkeit von der Temperatur an einem des Wärmetauschmittels über eine am oberen Ende bestimmten Punkt b im Abschnitt 42' des Reaktionsdes Reaktionsbehälters 28 angeordnete Ringleitung behälters. Eine gleich große Teilmenge des Wärme-29 und der Abführung über eine am unteren Ende tauschmittels wird dem Kreislauf des Abschnittes 42' desselben angeordnete Ringleitung 30 sowohl eine 20 über die Leitung 49 entzogen und dem Kreislauf des zusätzliche Abführung als auch eine zusätzliche Zu- benachbarten Abschnittes 42" im Bereich der zuführung von regelbaren Teilmengen des Wärme- gehörigen Pumpe 50 und der von einem Kühlmittel tauschmittels in verschiedener Höhe zwischen den durchströmten Rohrschlange 51 wieder zugeführt, beiden Enden des Reaktionsbehälters 1 über drei Die Temperaturregelung des in diesem Bereich 42" bzw. zwei Ringleitungen 31, 32, 33 bzw. 34, 35, 25 über die Ringleitung 52 abgeführten und über die deren Anschluß-Rohrstutzen mit Drosselorganen 36 Ringleitung 53 wieder zugeführten Wärmetauschausgerüstet sind. Die beiden zur zusätzlichen Ab- mittels erfolgt durch die mittels des Regelorgans 54 führung von Wärmetauschmittel dienenden drei veränderbare Kühlmittel-Durchflußmenge in der Ringleitungen 31, 32, 33 sind auf der Saugseite Rohrschlange 51.
einer Umwälzpumpe 37, die zur zusätzlichen Zu- 30 Der Abschnitt 42'" ist endotherm und hat ein führung von Wärmetauschmittel dienenden beiden höheres Temperaturniveau als die anderen beiden Ringleitungen 34, 35 auf der Druckseite einer zwei- Abschnitte 42' und 42". In diesem Fall gibt das ten Umwälzpumpe 38 an je ein Gehäuse 39 bzw. 40 durch die Ringleitung 55 zugeführte und die Ringangeschlossen, leitung 56 abgeführte Wärmetauschmittel, dessen
In dem Gehäuse 39 befindet sich eine von einem 35 Kreislauf durch die Pumpe 57 aufrechterhalten wird, Kühlmittel durchströmte Rohrschlange mit außen- im Bereich des Abschnittes 42'" des Reaktionsliegenden Zu- und Ableitungen, wodurch die vor- behälters Wärme an die Kontaktrohre ab, die ihm wiegend im oberen Bereich des Reaktionsbehälters dann durch ein durch die Rohrschlange 58 strömenzusätzlich über die Ringleitungen 31, 32, 33 abge- des Heizmittel wieder zugeführt wird. Die Heizführten Teilmengen des Wärmetauschmittels gekühlt 40 mittelmenge ist mittels eines Regelorgans 59 verwerden, um dann gemeinsam über die oberste Ring- änderbar. Bei dieser Ausführung wird, wie die Pfeilleitung 29 wieder in den Reaktionsbehälter 28 zu- linien erkennen lassen, das Wärmetauschmittel nur rückgeführt zu werden. Mittels eines Ventils 41 wer- in den Endbereichen der Ringkanäle 55, 56 radial den die Kühlmittelmengen und damit die abgeführte zum Kontaktrohrbündel, d. h. in Querrichtung der Wärmemenge in Abhängigkeit von der Temperatur 45 einzelnen Kontaktrohre geführt, während es in dem an einem bestimmten Punkt α im Reaktions- dazwischenliegenden mittleren Bereich parallel zu behälter 28 geregelt. den Kontaktrohren strömt. Ein solcher Strömungs-
Im Bereich der etwa in der Mitte des Reaktions- verlauf wird in an sich bekannter Weise durch An-
behälters 28 und noch weiter unten erfolgenden zu- Ordnung von zwei Umlenkscheiben 60, 61 erreicht,
sätzlichen Zuführung von regelbaren Teilmengen 50 die den mittleren Bereich gegen die beiden End-
des Wärmetauschmittels ist dagegen eine besondere bereiche abgrenzen und zum Unterschied von den
Kühlung nicht erforderlich. Diese erfolgt bereits zwischen zwei benachbarten Radialströmungsberei-
durch die Vermischung des Wärmetauschmittels mit chen angeordneten Umlenkscheiben (in F i g. 1 mit
dem Kreislauf der zusätzlich abgeführten und in 7 bzw. 8 bezeichnet) sich quer durch den ganzen
gekühltem Zustand zurückgeführten Teilmengen. 55 Innenraum des Reaktionsbehälters erstrecken und
Dieser Kreislauf wirkt sich nämlich auch auf eine Durchtrittsöffnungen aufweisen, deren Querschnitte
intensive Umwälzung im unteren Bereich des Reak- entsprechend dem Druckgefälle auf der AnstrÖm-
tionsbehälters 28 aus. seite der Scheiben im Bereich der einzelnen Kontakt-
Die gewünschte Temperaturcharakteristik des rohre zunehmen, um eine möglichst gleichmäßige
Wärmetauschmittels entlang der (in F i g. 4 nicht 60 Beaufschlagung aller Kontaktrohre zu erreichen,
dargestellten) Kontaktrohre wird durch Einstellen Für den Zu- und Ablauf des Wärmetauschmittels
der Drosselorgane 36 im Kreislauf der abgeführten am Reaktionsbehälter 42 sind gemäß Fig. 5 die
und zugeführten Teilmengen erreicht. Diese Drossel- Ringleitungen 46, 47; 52, 53; 55, 56 innerhalb des
organe können zunächst von Hand eingestellt wer- doppelwandigen Behältermantels untergebracht. Die
den und dann im allgemeinen in einer bestimmten 65 Umlenk- und die Trennscheiben sind dabei zur Be-
Lage bleiben. grenzung der Ringleitungen bis zur äußeren Wand
F i g. 5 zeigt eine Anordnung, bei welcher der des Behältermantels durchgeführt.
Reaktionsbehälter 42 durch zwei Trennscheiben 43, Aus F i g. 6 ist in einer Einzeldarstellung ersieht-
Hch, wie durch Einwalzen der Kontaktrohre 2 in die Trennscheiben 43, 44 eine gegenseitige Abdichtung der Abschnitte 42', 42" bzw. 42", 42'" erreichbar ist.
Es ist ferner möglich, entsprechend den unterschiedlichen Reaktionsvorgängen in einzelnen Abschnitten innerhalb der Kontaktrohre verschiedene Katalysatoren oder Inertmaterialien unterzubringen, die, soweit erforderlich, durch entsprechend über-
einander angeordnete Kontaktrohrverschlüsse voneinander getrennt werden können.
Alle Ausführungen gemäß der Erfindung mit Kühleinrichtungen sind auch bei Reaktionsapparaten für endotherme chemische Prozesse verwendbar. Dann müssen lediglich die Kühler durch Heizeinrichtungen ersetzt werden, um das Wärmetauschmittel nach der Wärmeabgabe an die Kontaktrohre wieder auf seine ursprüngliche Temperatur zu bringen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
209545/517

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Reaktionsapparat zur Durchführung exo- und endothermer katalytischer Reaktionen mit einem Kontaktrohrbündel und radialer Zu- bzw. Abführung eines Wärmetauschmittels über je eine Ringleitung mittels einer Pumpe im Kreislauf über einen außenliegenden Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reaktionsbehälter (1; 28; 32) im Längsabstand der Kontaktrohre (2) in an sich bekannter Weise querliegende Umlenkscheiben (7, 8) mit abwechselnd am inneren und am äußeren Rand liegenden Durchtrittsquerschnitten angeordnet sind und wobei ferner mindestens eine weitere Ringleitung (20, 21; 31 bis 35; 47, 52, 53, 55) zum Zu- bzw. Abführen einer regelbaren Teilmenge des Wärmetauschmittels an mindestens einer Zwischenstelle angeordnet ist.
2. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsbehälter (42) durch mindestens eine durchgehende Trennscheibe (43, 44) in zwei oder mehr Abschnitte (42', 42", 42'") unterteilt ist, wobei in jedem Abschnitt Zu- bzw. Abführungsstellen des Wärmetauschmittels angeordnet und die Kontaktrohre (2) gegen die Trennscheiben (43, 44) abgedichtet sind.
3. Reaktionsapparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Bereich des durch einen Abschnitt des Reaktionsbehälters (42) geführten Wärmetauschmittels eine besondere Umwälzpumpe (45; 50; 57) vorgesehen ist.
4. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Umlenkscheiben (7, 8) und den Kontaktrohren (2) unterschiedlich groß bemessene Spalte im Sinne einer annähernd konstanten Querströmgeschwindigkeit des Wärmetauschmittels ausgebildet sind.
5. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen benachbarten Umlenkscheiben (7, 8) in Anpassung an die durch jeden Bereich strömenden Mengen des Wärmetauschmittels verschieden groß sind.
6. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel des Reaktionsbehälters (42) doppelwandig ist und die beiden Wände zur Bildung der Ringleitungen (46, 47; 52, 53; 55, 56) dienen.
DE2201528A 1972-01-13 1972-01-13 Reaktionsapparat zur Durchführung exo- und endothermer katalytischer Prozesse mit Radialströmung des Wärmetauschmittels Expired DE2201528C2 (de)

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