DE2839821A1 - Improved flow distribution in fluidised bed reactors - using vertical stand pipes in bed with gas outlets at several levels above bed support base - Google Patents

Abstract

Fluidised bed reactor has a gas stream which is being reacted in the presence of a suspended particulate catalyst or other reacting solids. Gas is injected into the bed at more than one level. At the lowest level, where the bed is supported, the gas enters as a vertical stream. The bed has stand-pipes in it with outlets at one or more other levels from which the gas issues as a horizontal stream. The gas is injected into the bed continuously from these points. Use for gas/solid reactions e.g. catalytic methanisation of coal gasification product gases. Allows for a much more uniform distribution of gas through the bed which gives more uniform reaction and heat release, avoiding local overheating at the point of entry for the gases.

Description

"Wirbelschichtverfahren und Reaktor" "Fluidized bed process and reactor"

Die Erfindung betrifft ein Wirbelschichtverfahren, bei dem ein Gas in einer Anströmzone in eine Wirbelschicht eingespeist wird.The invention relates to a fluidized bed process in which a gas is fed into a fluidized bed in an inflow zone.

In der Wirbelschicht eines Wirbelschichtreaktors werden Feststoffpartikel durch einen aufwärts gerichteten Gasstrom gegen die Gravitationskraft in der Schwebe gehalten.Solid particles become in the fluidized bed of a fluidized bed reactor by an upward gas flow against the gravitational force in suspension held.

Außer für physikalische Verfahren wie Trocknen und Granulieren werden katalytische Wirbelschichten insbesondere in der chemischen Reaktionstechnik eingesetzt. Je nach der Strömungsgeschwindigkeit des durch die Wirbelschicht geblasenen Gases dehnt sich in der Wirbelschicht eine vorgegebene Schüttung eines Feststoffes in vertikaler Richtung mehr oder weniger aus.Except for physical processes like drying and granulating catalytic fluidized beds are used in particular in chemical reaction engineering. Depending on the flow rate of the gas blown through the fluidized bed a given bulk of a solid expands in the fluidized bed vertical direction more or less.

Beim Betrieb von Wirbelschichtreaktoren sind insbesondere dann Schwierigkeiten zu erwarten, wenn die chemischen Reaktionen erhöhte Drücke erfordern und/oder rasch und stark exotherm ablaufen und/oder für die durchgesetzten Gasmengen volumenvermindernd wirken. Diese Schwierigkeiten treten bereits bei einet einzigen der vorerwähnten physikalischen Wirkungen auf und verstärken sich bei Vorliegen zweier oder sogar aller drei Wirkungen.When operating fluidized bed reactors, difficulties arise in particular to be expected when the chemical reactions require elevated pressures and / or rapid and are highly exothermic and / or reduce the volume of the gas flowed through works. These difficulties arise with just one of the aforementioned physical effects and increase in the presence of two or even all three effects.

Als Beispiel für das gemeinsame Auftreten der drei genannten Wirkungen ist die Wirbelschichtmethanisierung von Kohlevergasungsgasen mit Hilfe feinkörniger Katalysatoren zu nennen.As an example of the common occurrence of the three mentioned effects is the fluidized bed methanation of coal gasification gases with the help of fine-grained Mention catalysts.

Bei erhöhtem Druck ist infolge der mechanischen Beanspruchung der Druckgefäßwandung ein schlanker Reaktionszylinder mit vertikaler Achse erforderlich. Die darin erzeugte Wirbelschicht ist demzufolge ebenfalls schlank und hoch.When the pressure is increased, the Pressure vessel wall requires a slim reaction cylinder with a vertical axis. The fluidized bed created in it is consequently also slim and high.

Im Hinblick auf eine wirtschaftliche Raum-Zeit-Ausbeute ist es dann unter Umständen nur wenig zweckmäßig, ausschließlich in einer einzigen, unteren Anströmzone das Einsatzgas in die Wirbelschicht einzublasen, weil dann die chemischen Fraktionen im unteren Teil der Wirbelschicht bereits vollständig ablaufen würden, ohne daß der obere Teil der Wirbelschicht daran teilnehmen würde.In terms of an economic space-time yield then it is may not be very useful, exclusively in a single, lower one Inflow zone to blow the feed gas into the fluidized bed, because then the chemical Fractions in the lower part of the fluidized bed would already run off completely, without the upper part of the fluidized bed taking part.

Laufen die chemischen Reaktionen rasch und stark exotherm ab, so besteht die Gefahr, daß bei einer alleinigen Gaszufuhr von unten her die chemischen Reaktionen ausschließlich räumlich konzentriert in der Umgebung der unteren Anströmzone ablaufen und praktisch die gesamte Reaktionswärme in einem nur kleinen Teilbereich des Reaktionsgefäßes entsteht. Das führt dazu, daß der an sich bei Wirbelschichten infolge der intensiven Feststoffbewegung gute Temperaturausgleich nicht ausreicht, um unerwünschte lokale Überhitzungen innerhalb des Reaktorgefäßes auszuschließen.If the chemical reactions run rapidly and strongly exothermic, then there is the risk of chemical reactions if gas is supplied from below alone run exclusively in a spatially concentrated manner in the vicinity of the lower inflow zone and practically all of the heat of reaction in only a small portion of the reaction vessel arises. This leads to the fact that in the case of fluidized beds as a result of the intensive Solid movement good temperature compensation is not sufficient to avoid undesirable local Rule out overheating inside the reactor vessel.

Falls die chemischen Reaktionen volinnenmindernd wirken, so stellt sich der Nachteil ein, daß bei zweckmäßig gewählter Gasgeschwindigkeit in der AnStrömzone vor Beendigung der chemischen Reaktionen die mittlere Gasgeschwindigkeit optimal und im oberen Teil der Wirbelschicht für ein genügend intensives Fluidisieren des Feststoffes zu niedrig ist, da mit abnehmendem Gasvolumen bei gleichem Strömungsquerschnitt die Strömungsgeschwindigkeit naturgemäß abnimmt.If the chemical reactions reduce the volume, so provide the disadvantage is that if the gas velocity is expediently selected in the inflow zone before the end of the chemical reactions the mean gas velocity is optimal and in the upper part of the fluidized bed for a sufficiently intensive fluidization of the Solid is too low, as the gas volume decreases with the same flow cross-section the flow velocity naturally decreases.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, dem die vorerwähnten Nachteile nicht anhaften und bei dem sich das gesamte zur Verfügung stehende Volumen der Wirbelschicht optimal ausnutzen läßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich in wenigstens einer weiteren oberhalb der dann unteren Anströmzone befindlichen oberen Anströmzone Einsatzgas in einer Ebene verteilt in die Wirbelschicht eingespeist wird.The invention is based on the object of creating a method which does not adhere to the aforementioned disadvantages and where the whole is available can optimally utilize standing volume of the fluidized bed. This object is achieved according to the invention solved in that additionally in at least one further above the then lower Inflow zone located upper inflow zone feed gas distributed in one level in the fluidized bed is fed.

Im Falle eines schlanken Druckreaktors wird durch das Einspeisen des Einsatzgases in mindestens zwei voneinander entfernten Anströmzonen erreicht, daß der von der Wirbelschicht ausgefüllte Reaktionsraum wesentlich gleichmäßiger ausgenutzt, mithin eine bessere Raum-Zeit-Ausbeute erreicht wird0 Läuft die chemische Reaktion rasch ab, und ist sie darüber hinaus stark exotherm, so wird durch das Einspeisen des Gases in mindestens zwei übereinanderliegenden Zonen der Wärmeanfall räumlich auseinandergezogen und mithin ein lokales Überhitzen vermieden und damit die im allgemeinen erforderliche Wärmeabfuhr erleichtert.In the case of a lean pressure reactor, feeding the Feed gas achieved in at least two distant flow zones that the reaction space filled by the fluidized bed is used much more evenly, consequently a better space-time yield is achieved0 If the chemical reaction takes place rapidly, and if it is also strongly exothermic, then it becomes due to the feeding of the gas spatially in at least two superimposed zones pulled apart and thus local overheating avoided and thus the im general required heat dissipation facilitated.

Falls die chemischen Reaktionen volumenvermindernd wirken, wird im Bereich der jeweils nächsten Anströmzone die Auswirkung der Volumenverminderung auf die Gasströmung und damit auf den Fluidisierungszustand kompensiert und somit eine gleiche Fluidisierung erreicht.If the chemical reactions reduce the volume, im Area of the next inflow zone, the effect of the volume reduction compensated for on the gas flow and thus on the fluidization state and thus reached the same fluidization.

Die vorerwähnten Vorteile kommen erst recht bei gleichzeitigem Auftreten zweier oder aller drei der genannten physikalischen Wirkungen zum Tragen.The aforementioned advantages come even more when they occur at the same time two or all three of the named physical effects to bear.

Das Gas kann in der unteren Anströmzone vertikal und in der bzw. den oberen Anströmzonen horizontal in die Wirbelschicht eingespeist werden. Des weiteren empfiehlt es sich, das Gas kontinuierlich über die Höhe der Wirbelschicht einzuspeisen. Vorteilhafterweise wird das Gas in einer unteren Anströmzone vertikal und in einer darüber befindlichen oberen Anströmzone horizontal in die Wirbelschicht eingespeist.The gas can be vertical in the lower inflow zone and in the or the upper inflow zones are fed horizontally into the fluidized bed. Further it is advisable to feed the gas continuously above the level of the fluidized bed. The gas is advantageously vertical in a lower flow zone and in one above the upper inflow zone fed horizontally into the fluidized bed.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in einem Wirbelschichtreaktor durchführen, der sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, daß in seinem unteren Teil, also im Bereich der Wirbelschicht, mehrere Anströmrohre angeordnet sind. Hierbei empfiehlt es sich, den Raum unter einem Anströmboden am Fuße der Rohre durch einen Zwischenboden in zwei Kammern mit getrennten Gas zuleitungen zu unterteilen und die Anströmrohre offen in die untere Kammer hineinragen zu lassen.The process according to the invention can be carried out in a fluidized bed reactor perform, which according to the invention is characterized in that in its lower Part, so in the area of the fluidized bed, several inflow pipes are arranged. Here it is advisable to pass the space under an inflow at the foot of the pipes through a Dividing the intermediate floor into two chambers with separate gas supply lines and to let the inlet pipes protrude openly into the lower chamber.

Auf diese Weise strömt das in die obere Kammer gelangende Gas durch den im unteren Teil des Wirbelschichtreaktors befindlichen Anströmboden vertikal nach oben in die Wirbelschicht hinein, während das in die Kammer unterhalb des Zwischenbodens gelangende Gas durch die Anströmrohre strömt und in horizontaler Richtung in die obere Anströmzone geführt wird. Somit ergibt sich ein Wirbelschichtreaktor, bei dem das Einsatzgas in zwei mit Abstand voneinander verlaufende Anströmzonen in die Wirbelschicht eingespeist wird. Hierbei verläuft die Strömungsrichtung des Gases im unteren Teil der Wirbelschicht vertikal, während im oberen Teil der Anströmzone das Gas horizontal ausströmt. Demzufolge treffen in der Umgebung der Ausströmöffnungen der Anströmrohre zwei unterschiedlich gerichtete Gasströme aufeinander, was zu Turbulenzen und mithin zu einer ungleichmäßigen Strömung fuhrt. Das hat zur Folge, daß gerade in diesem Teil des Reaktors der Kontakt zwischen dem Einsatzgas und dem Katalysator besonders innig ist, was die Reaktionsgeschwindigkeit wesentlich erhöht.In this way, the gas entering the upper chamber flows through the inflow tray located in the lower part of the fluidized bed reactor vertically upwards into the fluidized bed, while that into the chamber below the intermediate floor arriving gas flows through the inlet pipes and in the horizontal direction in the upper inflow zone is guided. This results in a fluidized bed reactor at which the feed gas in two inflow zones running at a distance from each other in the Fluidized bed is fed. The direction of flow is here of Gas in the lower part of the fluidized bed vertically, while in the upper part of the inflow zone the gas flows out horizontally. As a result, meet in the vicinity of the outflow openings the inlet pipes two differently directed gas flows towards each other, which leads to turbulence and therefore leads to an uneven flow. The result is that straight in this part of the reactor the contact between the feed gas and the catalyst is particularly intimate, which significantly increases the rate of reaction.

Die Anströmrohre können über ihre Länge verteilt mit mehreren Ausströmöffnungen versehen sein. Hierbei kann auch der Anströmboden wegfallen, weil sich bei entsprechender Lochverteilung mehrere mehr oder weniger scharf voneinander getrennte Reaktionszonen ergeben. Insgesamt ergibt sich ein Strömungsfeld im Bereich der Anströmshre, das unregelmäßig und in hohem Maße turbulent ist, was zu einer innigen Berührung zwischen dem Einsatzgas und dem Katalysator führt.The inflow pipes can be distributed over their length with several outflow openings be provided. In this case, the inflow base can also be omitted, because with the corresponding Hole distribution several more or less sharply separated reaction zones result. Overall, there is a flow field in the area of the inflow tube that is irregular and highly turbulent, resulting in an intimate touch between the feed gas and the catalyst leads.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen unterschiedlicher Wirbelschichten des näheren erläutert.The invention is illustrated below with reference to in the drawing Embodiments of different fluidized beds explained in more detail.

Gemäß Fig. 1 sind im unteren Teil 4 eines Wirbelschichtreaktors zwei übereinander liegende Kammern 5, 6 angeordnet, die durch einen Zwischenboden 7 voneinander getrennt sind. Die obere Kammer 6 ist von der Schichtzone 8 durch einen Anströmboden 9 getrennt. Beide Kammern 5, 6 besitzen voneinander unabhängige Gaszuleitungen 10, 11. Im unteren Teil des Wirbelschichtreaktors verlaufen stehende Anströmrohre 12, 13, 14, die mit ihren unten offenen Enden 15, 16, 17 durch den Zwischenboden 7 hindurch in die untere Kammer 5 ragen. In ihren oberen Teilen 18, 19, 20 weisen die Rohre 12, 13, 14 radiale, im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegende Ausströmöffnungen 21, 22, 23 auf. Der Anströmboden 9 besitzt Anströmöffnungen 26, mit denen die obere Kammer 6 mit dem Raum 24 fürdie Wirbelschicht verbunden ist.According to FIG. 1, there are two in the lower part 4 of a fluidized bed reactor superimposed chambers 5, 6 arranged, which by an intermediate floor 7 from each other are separated. The upper chamber 6 is separated from the stratified zone 8 by an inflow base 9 separated. Both chambers 5, 6 have independent gas supply lines 10, 11. In the lower part of the fluidized bed reactor are running Inflow pipes 12, 13, 14, with their ends 15, 16, 17 open at the bottom through the intermediate floor 7 protrude through into the lower chamber 5. In their upper parts 18, 19, 20 have the tubes 12, 13, 14 are radial, lying essentially in a common plane Outflow openings 21, 22, 23. The inflow base 9 has inflow openings 26, with which the upper chamber 6 is connected to the fluidized bed space 24.

Das in Richtung des Pfeiles 25 durch die Gaszuleitung 11 in die obere Kammer 6 strömende Einsatzgas gelangt von hieraus durch die in dem Anströmboden 9 befindlichen Öffnungen 26 in Richtung der Pfeile in die Wirbelschicht. In entsprechender Weise gelangt das in Richtung des Pfeiles 27 durch die Gaszuleitung 10 in die untere Kammer 5 strömende Gas durch die Rohre 12, 13, 14 über die in ihrem oberen Teil 18, 19, 20 befindlichen Ausströmöffnungen 21, 22, 23 in Richtung der Pfeile in horizontaler Richtung in der Wirkschicht.That in the direction of arrow 25 through the gas supply line 11 in the upper Chamber 6 flowing feed gas passes from here through the in the inflow tray 9 located openings 26 in the direction of the arrows in the fluidized bed. In appropriate Way that arrives in the direction of arrow 27 through the gas supply line 10 in the lower Chamber 5 gas flowing through the tubes 12, 13, 14 via those in their upper part 18, 19, 20 located outflow openings 21, 22, 23 in the direction of the arrows in the horizontal Direction in the active layer.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist eine untere Kammer 5 mit einer Gaseintrittsöffnung 28 versehen und durch einen Zwischenboden 7 von einem darüber befindlichen Raum 8 für die Wirbelbettschicht getrennt. In dem unteren Teil des Wirbelbettreaktors 4 angeordnete Anströmrohre 29, 30 und 31 sind an ihren unteren Enden 32, 33, 34 offen und ragen durch den Zwischenboden 7 in die Kammer 5 hinein.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, there is a lower chamber 5 provided with a gas inlet opening 28 and through an intermediate bottom 7 of a space 8 above it for the fluidized bed separately. In the lower part of the fluidized bed reactor 4 arranged inflow pipes 29, 30 and 31 are at their lower Ends 32, 33, 34 are open and protrude through the intermediate floor 7 into the chamber 5.

Die Rohre 29, 30, 31 besitzen über ihre Höhe verteilt eine Ausströmöffnung 35, 36.The tubes 29, 30, 31 have an outflow opening distributed over their height 35, 36.

Das in Richtung des Pfeiles 37 in die Kammer 5 strömende Gas gelangt von hier aus in Richtung der vertikalen Pfeile 38, 39, 40 in die Anströmrohre 29, 30, 31, um diese durch die Öffnungen 35 und 36 in Richtung der Pfeile 41, 42 horizontal zu verlassen.The gas flowing into the chamber 5 in the direction of the arrow 37 arrives from here in the direction of the vertical arrows 38, 39, 40 into the inflow pipes 29, 30, 31 to this through the openings 35 and 36 in the direction of the arrows 41, 42 horizontally to leave.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im unteren Teil eines Wirbelbettreaktors 4 zwei durch den Zwischenboden 7 voneinander getrennte Kammern 5, 6 angeordnet. Die obere Kammer 6 ist von einem darüber befindlichen Raum 8 für die Wirbelschicht durch einen Anströmboden 9 mit mehreren Durchlaßöffnungen getrennt. Die Kammern 5> 6 besitzen unabhängig voneinander Gaszuleitungen 10, 11. Die Anströmrohre 43, 44, 45 sind mit Öffnungen 46 versehen und ragen mit ihren unten offenen Enden 47, 48, 49 in die untere Kammer 5 hinein.In the embodiment shown in Figure 3 are in the lower Part of a fluidized bed reactor 4, two separated from one another by the intermediate floor 7 Chambers 5, 6 arranged. The upper chamber 6 is from a space above 8 for the fluidized bed through an inflow tray 9 with several passage openings separated. The chambers 5> 6 have gas supply lines 10 independently of one another, 11. The inflow pipes 43, 44, 45 are provided with openings 46 and protrude with their ends 47, 48, 49 open at the bottom into the lower chamber 5.

Das in Richtung des Pfeiles 50 durch die Zuleitung 11 in die obere Kammer 6 eintretende Gas gelangt von hier aus in Richtung der vertikalen Pfeile 51 durch den Anströmboden 9 hindurch in den Wirbelschichtraum 8. Gleichzeitig wird das in Richtung des Pfeiles 52 durch die Zuleitung 10 in die untere Kammer 5 strömende Gas durch die unten offenen Enden in die Anströmrohre 43, 44, 45 geblasen, um diese durch die Öffnungen 46 in Richtung der Pfeile 53 in horizontaler Richtung zu verlassen.That in the direction of arrow 50 through the supply line 11 in the upper Chamber 6 entering gas arrives from here in the direction of the vertical arrows 51 through the inflow tray 9 into the fluidized bed space 8. At the same time that flowing in the direction of arrow 52 through the supply line 10 into the lower chamber 5 Gas is blown through the ends that are open at the bottom into the inflow pipes 43, 44, 45, around them to leave through the openings 46 in the direction of the arrows 53 in the horizontal direction.

Claims (7)

Patentansprüche: 1. Wirbelschichtverfahren, bei dem ein Einsatzgas in einer Anströmzone in eine Wirbelschicht eingespeist wird, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zusätzlich in wenigstens einer weiteren oberhalb der Anströmzone befindlichen oberen Anströmzone Einsatzgas in einer Ebene verteilt in die Wirbelschicht eingespeist wird. Claims: 1. Fluidized bed process in which a feed gas is fed into a fluidized bed in an inflow zone, d a -d u r c h g e I do not know that in addition, in at least one other above the Inflow zone located upper inflow zone feed gas distributed in one level in the fluidized bed is fed. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Einsatzgas in der unteren Anströmzone vertikal und in der oberen Anströmzone horizontal in die Wirbelschicht eingespeist wird.2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the feed gas is vertical in the lower inflow zone and in the upper Inflow zone is fed horizontally into the fluidized bed. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Einsatzgas kontinuierlich über die Höhe der Wirbelschicht eingespeist wird.3. The method according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e -k e n n z E i c h n e t that the feed gas continuously over the height of the fluidized bed is fed in. 4. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß im unteren Teil mehrere stehende Anströmrohre (12, 13, 14; 29, 30, 31; 43, 44, 45) mit Ausströmöffnungen (21, 22, 23; 35, 36; 46) angeordnet sind.4. Reactor for carrying out the process according to claims 1 to 3, d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that in the lower part there are several standing Inflow pipes (12, 13, 14; 29, 30, 31; 43, 44, 45) with outflow openings (21, 22, 23; 35, 36; 46) are arranged. 5. Reaktor nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß sich im unteren Teil ein Anströmboden (9) befindet.5. Reactor according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that there is an inflow base (9) in the lower part. 6. Reaktor nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein Raum unter dem Anströmboden (9) durch einen Zwischenboden (7) in zwei Kammern (5, 6) mit getrennten Gaszuleitungen (10, 11) unterteilt ist und unten offene Anströmrohre (12, 13, 14; 29, 30, 31; 43, 44, 45) in die untere Kammer (5) hineinragen.6. Reactor according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that a space under the inflow tray (9) by an intermediate floor (7) in two Chambers (5, 6) with separate gas supply lines (10, 11) is divided and open at the bottom Inflow pipes (12, 13, 14; 29, 30, 31; 43, 44, 45) protrude into the lower chamber (5). 7. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anströmrohre (29, 30, 31; 43, 44, 45) über ihre Höhe mit mehreren Ausströmöffnungen (35, 36; 46) versehen sind.7. Reactor according to one or more of claims 4 to 6, d a d u notify that the inlet pipes (29, 30, 31; 43, 44, 45) are provided with several outflow openings (35, 36; 46) over their height.