DE2834358B2 - Katalytischer Reaktor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen katalytischen Reaktor zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen mit
mehreren plattenförmigen Katalysatoren, die derart im Abstand zueinander angeordnet sind, daß sie Gasdurchgänge einschließen. Ein solcher Reaktor ist speziell zur
Behandlung von Gasen geeignet, die einen hohen Anteil an Staub enthalten.
Zur Behandlung von Gasen, die große Anteile an Staub enthalten, wurden bisher in weitem Umfang
katalytische Wirbelschichtreaktoren angewendet. Diese katalytischen Reaktoren haben jedoch insofern Nachteile, als ein großer Anteil an Katalysator durch das
Austragen des Katalysators während des Betriebs verloren geht und daß der Katalysator nicht gleichmäßig transportiert wird, wodurch ungleichförmige Gasströme verursacht werden und somit die katalytische
Reaktion nicht ausreichend durchgeführt werden kann. Um andererseits zu vermeiden, daß der in dem Gas
vorliegende Staub durch den Katalysator aufgenommen wird, wurde ein katalytischer Reaktor entwickelt, in
welchem plattenförmige Katalysatoren in Bienenwabenform angeordnet sind, so daß sie zahlreiche
geradlinige Strömungsdurchgänge begrenzen, wie beispielsweise aus dem japanischen Gebrauchsmuster Nr.
6673/1977 ersichtlich ist. Wenn ein Staub enthaltendes Gas die geradlinigen Strömungsdurchgänge passiert,
wird nur ein geringer Teil des Staubs durch die Plattenkatalysatoren aufgenommen.
daher den Vorteil, daß nur geringfügige Katalysatorverluste während des Betriebs auftreten.
Es tritt jedoch der Nachteil auf, daß das in den geradlinigen Strömungsdurchgängen strömende Gas
geringe Turbulenz zeigt und im Vergleich mit einem üblichen katalytischen Reaktor des mit eingefülltem
Katalysator versehenen Typs einen sehr geringen Stofftransport- bzw. Massentransport-Koeffizienten
aufweist, so daß es nicht möglich ist, einen guten
tu Kontakt des Gases mit dem Katalysator oder eine zufriedenstellende katalytische Reaktion zu erreichen.
Um guten Kontakt des Gases mit dem Katalysator zu gewährleisten, hat man versucht, die Kontaktfläche der
geradlinigen Strömungsdurchgänge zu erhöhen, indem
man die Querschnittsfläche der Strömungswege vermindert und die Anzahl der Durchgänge erhöht hat Ein
so ausgebildeter katalytischer Reaktor hat jedoch den Nachteil, daß der Druckverlust des Gases erhöht wird.
Zum Betrieb von Kühltürmen waren auch bereits
gewellte Kontaktkörper bekannt, die in Berührung
miteinander so angeordnet sind, daß sie zahlreiche Durchgänge für fluide Ströme ausbilden, wobei diese
Durchgänge jeweils durch zwei benachbarte Kontaktkörper begrenzt sind (DE-AS 21 13 614). Diese Kon-
taktkörper sind jedoch so zueinander angeordnet, daß sich jeweils die unmittelbar benachbarten Fluiddurchgänge im Hinblick auf Fluidströme im Durchgang
kreuzen, während sich die Richtungen, in denen die Kontaktkörper zueinander angeordnet sind, nicht
kreuzen. Eine solche Anordnung von Kontaktkörpern würde in einem katalytischen Reaktor zu einer
Erhöhung des Strömungswiderstands führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen katalytischen Reaktor zur Verfügung zu stellen, in
welchem der Katalysator so angeordnet ist, daß das zu behandelnde Gas in zufriedenstellender Weise mit dem
Katalysator in Berührung gebracht werden kann, und der Stofftransportkoeffizient erhöht wird, ohne daß der
Strömungswiderstand ansteigt, und keine oder nur
geringfügige Katalysatorverluste auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen katalytischen Reaktor zur Durchführung katalytischer
Gasreaktionen mit mehreren plattenförmigen Katalysatoren, die derart im Abstand zueinander angeordnet
sind, daß sie Gasdurchgänge einschließen, gelöst.
Dieser Reaktor ist dadurch gekennzeichnet, daß
a) die plattenförmigen Katalysatoren innerhalb des Reaktors in mehreren Gruppen angeordnet sind,
und innerhalb einer Gruppe parallel im Abstand zueinander so ausgerichtet sind, daß sich ihre
Vorderkanten in Querrichtung zur Längsrichtung erstrecken, und
b) die Gruppen von plattenförmigen Katalysatoren so zueinander angeordnet sind, daß die Vorderkanten
der plattenförmigen Katalysatoren in einer Gruppe die Richtung der Vorderkante der plattenförmigen
Katalysatoren in der unmittelbar benachbarten Katalysatorgruppe kreuzt, so daß die Vorderkanten der plattenförmigen Katalysatoren dem in dem
Gasreaktor aufsteigenden Gas ausgesetzt sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses katalytischen Reaktors kreuzt die Richtung der Breite
der plattenförmigen Katalysatoren einer der Katalysatorgruppen die Richtung der Breite der plattenförmigen
Katalysatoren der unmittelbar benachbarten Katalysatoranordnungen im rechten Winkel.
Es ist außerdem bevorzugt, daß alle im Reaktor befindlichen Katalysatoranordnungen mit den gleichen
Abmessungen ausgebildet sind.
Wenn die mehreren plattenförmigen Katalysatoren parallel zu einem Gasstrom angeordnet sind, so daß
zwischen ihnen Gasdurchgänge ausgebildet werden, ist der Koeffizient des Stofftransportes zu den Oberflächen
der Gasdurchgänge, welche durch die plattenförmigen Katalysatoren eingeschlossen sind, groß, speziell in
Bereichen zwischen den Vorderkanten der plattenförmigen Katalysatoren und etwas stromabwärts liegenden Stellen der plattenförmigen Katalysatoren, d. h. in
einem Bereich, der als Eintrittsbereich oder Startbereich bezeichnet wird. In dem katalytischen Reaktor existieren in Richtung des Gasstromes mehrere solcher
Eintrittsbereiche, wodurch eine gute katalytische Reaktion mit dem Gas gewährleistet wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert In diesen Zeichnungen zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung von Plattenkatalysatoren,
Fig.2 ist eine grafische Darstellung, die den
Zusammenhang zwischen der Sherwood-Zahl und dem vertikalen Abstand (x) der in F i g. 1 gezeigten
Anordnung von Plattenkatalysatoren angibt,
F i g. 3 ist eine Teilschnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen katalytischen Reaktors,
F i g. 4 ist die Draufsicht auf eine Katalysatora-nordnung, die in dem katalytischen Reaktor gemäß F i g. 3
vorliegt,
F i g. 5 ist eine Schnittansicht der Katalysator-Anordnung längs Linie V- Vm F i g. 4,
Fig.6 ist eine grafische Darstellung, die den
Zusammenhang zwischen dem Druckverlust des Gases ΔΡ und der Länge L jedes von mehreren plattenförmigen Katalysatoren angibt.
Fig.7 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Massen- bzw. Stofftransport-Koeffizienten eines Gases und der Länge L angibt.
Nachstehend soll unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 zunächst eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung erläutert werden.
In Fig. 1 sind längs eines Gasstroms 3 mehrere Katalysatorgruppen 1,2 aufeinandergestapelt. Jede der
Katalysatorgruppen 1, 2 umfaßt mehrere plattenförmige Katalysatoren 4, 5, die parallel zueinander unter
Abständen B zwischen den einzelnen Platten angeordnet sind. Jeder der plattenförmigen Katalysatoren 4, 5
hat eine Breite W, eine Länge L und eine Vorderkante 6 oder 7. Die Katalysatorgruppe 2 ist so auf die
Katalysatorgruppe 1 gestapelt, daß die Längsrichtungen der plattenförmigen Katalysatoren 4, 5 in dem
Gasstrom 3 liegen und eine Vielzahl der Vorderkanten 6, 7 der plattenförmigen Katalysatoren 4, 5 der
Katalysatorgruppen 1,2 dem Gasstrom ausgesetzt sind.
Vorzugsweise kreuzt die Richtung der Breite der plattenförmigen Katalysatoren 1 einer der Katalysatorgruppen 1, 2 die Richtung der Breite der unmittelbar
benachbarten Katalysatorgruppe 2 der Katalysatorgruppen 1,2.
Das zu behandelnde Gas 3 tritt am unteren Ende in die Vielzahl von KatalysatArgruppen 1,2 ein und strömt
durch mehrere Gasdurchgänge, welche durch die plattenförmigen Katalysatoren 4, 5 eingegrenzt sind,
nach oben. Das aufwärts strömende Gas kommt mit den Seitenflächen der Gasdurchgänge oder der plattenförmigen Katalysatoren 4,5 in Berührung.
durch die Sherwood-Zahl (Sh) ausgedrückt Je größer Sh ist um so stärker ist der Kontakt des Gases 3 mit den
plattenförmigen Katalysatoren 4, S. Die Bedingungen des Kontakts des Gases 3 mit den plattenförmigen
: Katalysatoren 4, 5 werden nachstehend unter Anwendung der Sherwood-Zahl und unter Bezugnahme auf
F i g. 2 ausführlicher erläutert.
Wenn das Gas 3 mit der zuunterst befindlichen Vorderkante 6, die bei JfLi in F i g. 1 gezeigt ist, in
Berührung kommt, so ist wie aus F i g. 2 hervorgeht Sh am größten, woraus ersichtlich ist daß der Kontakt des
Gases 3 mit dem Katalysator ausreichend gut ist Danach vermindert sich Sh allmählich längs der Kurve
C während das Gas 3 nach oben strömt Wenn das Gas
3 xLi oder die Vorderkanten 7 der plattenförmigen
Katalysatoren 5 erreicht werden Turbulenzen in dem Gas 3 durch die Vorderkante 7 verursacht so daß Sh
wieder auf einen hohen Wert eingestellt wird, und danach vermindert sich Sh in der gleichen Weise wie
vorher beschrieben wurde allmählich, während das Gas weiter nach oben strömt Somit ändert sich der Wert
von Sh während der Aufwärtsströmung des Gases in der durch Kurve Cgezeigten Weise und erreicht wiederholt
hohe Werte.
Wenn die Länge L eines plattenförmigen Katalysators größer ist, vermindert sich Sh längs Kurve O,
während das Gas nach oben strömt In diesem Fall ist der Durchschnittswert von Sh sehr klein im Vergleich
mit der Katalysatoranordnung gemäß F i g. 1, so daß der
Katalysator mit dem Gas nicht ausreichend gut in Berührung kommt
Es ist daher wünschenswert daß die Länge L der plattenförmigen Katalysatoren 4, 5 einen geeigneten
Wert hat
Nach den in F i g. 6 und 7 gezeigten experimentellen Ergebnissen wird die Länge L, welche durch den
Abstand £(m) zwischen den plattenförmigen Katalysatoren und die Strömungsrate des Gases Ug(m/s)
beeinflußt wird, durch folgende Gleichung angegeben:
80 B2 ■ Ug S L <
300 B2 ■ Ug
In Fig.6 zeigen die Kurven E, F und G den
Zusammenhang zwischen dem Druckverlust Δ Ρ (mm Η2Ο/Π1) und der Länge L (mm), wenn plattenförmige
Katalysatoren verschiedener Länge L in der in F i g. 1 gezeigten Weise unter Abständen B von 0,01 m
angeordnet sind, und ein Gas in einer Strömungsgeschwindigkeit von 8,5 m/s (Kurve E), 10 m/s (Kurve F)
bzw. 12,5 m/s (Kurve G) in die Anordnung von
Es ist ersichtlich, daß für die Länge im linken Bereich jeder der Kurven E, Fund G im Hinblick auf die Linie H
der Druckverlust des Gases zu groß für die anzuwendende Katalysatoranordnung ist Bezogen auf diesen
Zusammenhang wird der untere Grenzwert für die Länge L bestimmt Wenn daher die Länge L zu kurz ist,
um die vorstehende Gleichung zu erfüllen, wird der Druckverlust zu groß für die zu verwendenden
plattenförmigen Katalysatoren.
In Fig. 7 wird eine Kurve / gezeigt die den Zusammenhang zwischen dem Stofftransport-Koeffizienten Jt/(m/h) und der Länge des plattenförmigen
Katalysators angibt wenn plattenförmige Katalysatoren unterschiedlicher Länge L, die in der in Fig. 1
gezeigten Weise unter Abständen B von 0,01 mm
zwischen den einzelnen Platten angeordnet sind, und ein Gas mit einer Geschwindigkeit von 10 m/s in die
Anordnung von plattenförmigen Katalysatoren einge-
leitet wird. Es ist festzustellen, daß der Stofftransport-Koeffizient
nicht mehr ansteigt, wenn die Länge L mehr als 300 mm beträgt. Bezogen auf diesen Zusammenhang
wird der obere Grenzwert der Länge L so bestimmt, daß die anderen Werte des Abstands B und der
Gasgeschwindigkeit Ug angeglichen werden. Wenn daher die Länge L so groß ist, daß sie die vorstehende
Gleichung nicht erfüllt, kann kein hoher Wert von Sh erwartet werden, so daß die katalytische Reaktion nicht
ausreichend abläuft.
Als plattenförmiger Katalysator kann ein Wellplattenkatalysator, ein Plattenkatalysator, in welchem ein
gasdurchlässiger Katalysatorträger, wie ein Drahtnetz, welches die Katalysatorteilchen trägt, in Plattenform
ausgebildet ist, oder ein ähnlicher Katalysator angewendet werden.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf F i g. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen katalytischen
Reaktors ausführlich beschrieben, in welchem die in F i g. 1 gezeigte Katalysatoranordnung vorliegt.
F i g. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Entfernung von Stickstoff, in welcher in einem Abgas aus einer
Kesselheizung vorliegende Stickstoffoxide unter Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel unschädlich
gemacht werden.
Gemäß F i g. 3 steht ein katalytischer Reaktor 11 durch eine Abgasleitung IS mit einer Kesselheizung 13
in Verbindung. In dem katalytischen Reaktor 11 sind mehrere Katalysator-Anordnungen 17,19 gestapelt und
ein Ende der Abgasleitung 15 ist zwischen der untersten Katalysatoranordnung 17 und dem Boden 21 des
katalytischen Reaktors 11 angeordnet. Die Abgasleitung IS ist mit einem Staubabscheider 23, einem Gefäß
25 für Ammoniak und einem Gebläse 27 versehen.
Das aus der Kesselheizung 13 stammende, zu behandelnde Abgas wird in den unteren Teil des
katalytischen Reaktors 11 eingeführt, strömt nach oben,
wobei es die Katalysator-Anordnungen 17, 19 passiert und strömt aus dem katalytischen Reaktor 11, wobei der
Staub aus dem Abgas durch den Staubabscheider 23 entfernt wird und Ammoniak aus dem Behälter 25
eingeleitet wird, bevor das Gebläse 27 erreicht ist, und das mit Ammoniak vermischte Abgas mit dem
Katalysator in Berührung kommt, wobei die katalytische Reaktion abläuft, während das Abgas durch die
Katalysator-Anordnungen 17,19 nach oben strömt.
Die Katalysatoranordnungen 17,19 haben jeweils die in F i g. 4 und 5 gezeigte Ausbildung.
In Fig.4 und 5 ist ein quadratischer Rahmen 29
gezeigt, der mit Halterungen 31 versehen ist. Zahlreiche Abstandsstücke 33 sind so an dem Rahmen 29 befestigt,
daß Abstände zwischen ihnen ausgebildet sind. Zahlreiche Platten-Katalysatoren 35 sind jeweils in die durch
die Abstandsstücke 33 begrenzten Abstände eingefügt und werden von den Halterungen 31 des Rahmens 29
gehaltert, wodurch die Plattenkatalysatoren 35 von dem Rahmen 29 festgehalten werden. Der Plattenkatalysator
35 ist eine dünne Metallplatte, die vorherrschend aus Titan und Vanadin besteht. Die Katalysator-Anordnungen
17, 19 sind in dem katalytischen Reaktor 11 in der Weise angeordnet, daß die Richtung der Breite der
Plattenkatalysatoren der Katalysatoranordnung 17 die Richtung der Breite der Plattenkatalysatoren der
unmittelbar benachbarten Katalysator-Anordnung 19 im rechten Winkel kreuzt, so daß die Kantenteile 35 der
Plattenkatalysatoren 17, 19 dem Gas ausgesetzt sind, welches in dem katalytischen Reaktor aufwärts strömt.
Die Merkmale und Betriebsbedingungen des katalytischen Reaktors werden nachstehend angegeben:
Horizontale Schnittfläche des | 425 cm2 |
katalytischen Reaktors: | |
Abstand B zwischen den Platten | etwa 10 mm |
katalysatoren 35: | etwa 150 mm |
2(i Länge L des Plattenkatalysators: | |
Anzahl der gestapelten Katalysator | 15 |
anordnungen 17,19: | |
Gesamthöhe der gestapelten | 2,3 m |
Katalysatoranordnungen 17,19: | 1500NmVh |
>i Menge des zu behandelnden Gases: | 7 m/s |
Strömungsgeschwindigkeit des Gases: | |
Bei der Denitrierungsbehandlung des Abgases der Kesselheizung wurde eine Denitrierungsrate von 99%
erreicht.
Andererseits betrug die Denitrierungsrate nur 90%, wenn die übliche Katalysatoranordnung angewendet
wurde, bei der die Länge der Plattenkatalysatoren gleich der Höhe der Füllkörperkatalysatorschichten ist.
Um die gleiche Denitrierungsrate zu erreichen, die aufgrund der vorstehend erläuterten Anordnung gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung erreicht wird, ist es erforderlich, daß die Höhe der Füllkörper-Katalysatorschicht
(bzw. die Länge des Plattenkatalysators) 4,2 m beträgt. Selbst wenn daher die Höhe der
Katalysatorschicht des erfindungsgemäßen katalytischen Reaktors auf die Hälfte vermindert wird, ist die
Denitrierungsrate immer noch die gleiche, wie bei dem üblichen katalytischen Reaktor.
Wie vorstehend erläutert wurde, kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung eine Reaktion
zwischen einem Gas und einem festen Material mit höherer Wirksamkeit durchgeführt werden, als mit Hilfe
eines üblichen katalytischen Reaktors, und kann die Menge des in dem katalytischen Reaktor eingesetzten
Katalysators stark vermindert werden. Darüber hinaus kann der Aufbau des Reaktors kleiner gemacht werden,
ohne ihn zu komplizieren, im Vergleich mit dem üblichen Reaktor.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Katalytischer Reaktor zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen mit mehreren plattenförmigen Katalysatoren, die derart im Abstand
zueinander angeordnet sind, daß sie Gasdurchgänge einschließen, dadurch gekennzeichnet,
daß
a) die plattenförmigen Katalysatoren innerhalb des Reaktors in mehreren Gruppen angeordnet
sind, und innerhalb einer Gruppe parallel im Abstand zueinander so ausgerichtet sind, daß
sich ihre Vorderkanten in Querrichtung zur Längsrichtung erstrecken, und
b) die Gruppen von plattenförmigen Katalysatoren so zueinander angeordnet sind, daß die
Vorderkanten der plattenförmigen Katalysatoren in einer Gruppe die Richtung der Vorderkante der plattenförmigen Katalysatoren in der
unmittelbar benachbarten Katalysatorgruppe kreuzt, so daß die Vorderkanten der plattenförmigen Katalysatoren dem in dem Gasreaktor
aufsteigenden Gas ausgesetzt sind.
2. Katalytischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge φη) jedes
der plattenförmigen Katalysatoren folgender Bedingung genügt:
80 W ■ Ug < L
< 300 W ■ Ug
worin B(m) den Abstand zwischen den plattenförmigen Katalysatoren und Ug(m/s) die Geschwindigkeit
des in dem Reaktor strömenden Gases bedeuten.
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