DE3146778A1 - Axial-radial-reaktor fuer die heterogene synthese - Google Patents

Axial-radial-reaktor fuer die heterogene synthese

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Description

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PATENTANWÄLTE
SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK
MARIAHILFPLATZ 2 A 3, MÜNCHEN ΘΟ POSTADRESSE: POSTFACH QB O1 6O, D-BOOO MÜNCHEN 95
^/ ALSO PROFESSION/· l. REPRESENTATIVE»
BEFORE THE EURO· EAN PATENT OFFICE KARL LUDWIG SCHIKF= (1Ο64-1Ο78) DIPL. CHEM. OR. ALEXANDER V. FÜNER OIPL. INO. PETER STREHL DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPr DIPL. INS. DIETER EBBINGHAUS DR. ING. DIETER FINCK
TELEFON (OBO) 40 2OB4 TeLEX Β-93ΒΘΒ AURO D
MC auromarcpat München
DEA-22359
Axial-Radial-Reaktor für die heterogene Synthese
Die Erfindung betrifft einen Reaktor für die heterogene Synthese und insbesondere für die katalytische Synthese von Ammoniak, Methanol, Brennstoff, höheren Alkoholen, Monomeren und ähnlichen Substanzen. Der Reaktor hat einen äußeren Mantel, einen inneren Einsatz mit einer· festen Wand, die einen Luftraum mit der Innenwand des Mantels bildet, wenigstens ein Katalysatorbett, welches körnigen Katalysator enthält, der zwischen einem Boden und zwei konzentrischen zylindrischen Wänden angeordnet ist, von denen die äußere Wand auf ihrer ganzen axialen Länge mit Löchern durchsetzt ist und von denen die innere Wand längs eines kleinen Teils keine Löcher aufweist, sowie Einrichtungen zum Zuführen von Reaktionsgas, Einrichtungen zum Abfuhren von Reaktionsgas, wenigstens einen Wärmetauscher und Einrichtungen zum Zuführen von frischem Austauschgas zu dem Wärmetauscher.
Bei derartigen bekannten Reaktoren ist jede Schicht oder jedes Katalysatorbett von Reaktionsgas in einer Zone in einem vorherrschend axialen Strom und in einer anderen Zone durch einen vorherrschend radialen Strom durch-
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flossen, wobei äie vorherrschend axiale Strömungszone auch als Abdichtungspolster zwischen den Katalysatorschichten wirkt. Der innere Einsatz wird dadurch erhalten, daß einfach Eijisatzmodule angeordnet werden, von denen jeder von außen nach innen von einer zylindrischen massiven Seitenwand, von einem massiven Boden, der die Fortsetzung der äußeren massiven Seitenwand bilden kann, von einer ersten zylindrischen Wand, die auf ihrer ganzen axialen Länge perforiert ist und von einer zylindrischen Innenwand gebildet wird, die nur auf einem Teil perforiert ist, also wenigstens eine kleine axiale Länge ohne Löcher aufweist. Das Katalysatorbett ist auf dem Boden angeordnet und wird von den Seitenwänden begrenzt, die jeweils vollständig bzw. teilweise perforiert sind. Jede Schicht oder jedes Katalysatorbett ist auf der Oberseite offen, wo die vorherrschend axiale Strömungszone als Abdichtpolster wirkt. Darüber hinaus ist immer eine Trennzone zwischen den Katalysatorbetten vorhanden, der kaltes Gas zugeführt wird, das für den Austausch von Wärme, direkt oder indirekt, mit dem vorerhitzten Gas und/oder dem Gas verwendet wird, das bereits teilweise reagiert hat.
Im Falle des indirekten Wärmeaustausches ist der Wärmetauscher zwischen dem kalten Synthesegas und dem heißen Synthesegas, das teilweise reagiert hat, axial zum Reaktor in dem Mittelteil der Katalysatorschichten angeordnet. Die Rohre dieser einzelnen Austauscher sind innen von kaltem Beschickungsgas durchströmt und werden außen von heißem Gas umgeben, das axial und radial durch das Katalysatorbett, welches den fraglichen Wärmetauscher einpackt, sowie durch die vorhergehende Katalysatorschicht oder die vorhergehenden Katalysatorschichten geströmt ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, einen Axial-Radial-Strömungsreaktor mit indirektem Wärmeaustausch der genannten Art zu schaffen, der mit
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einem sehr hohen Wirkungsgrad arbeitet und äußerst einfach im Aufbau ist, so daß wesentliche Energieeinsparungen erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird mit dem Reaktor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher axial und zentral in einem Katalysatorbett angeordnet ist, daß das frische Prozeßgas, welches die Mantelinnenwand gekühlt hat, sich in einem Rohr in der Mitte des Austauschers sammelt, in einer Richtung, beispielsweise von oben nach unten strömt und dann längs des gleichen Wegs in der anderen Richtung in den Rohren des Wärmetauschers strömt und vorerhitzt in der freien Zone über der Oberseite des Katalysatorbetts austritt, wo es mit dem frischen Austauschgas gemischt wird, das direkt von außen in diese Zone eingeführt wird, daß die so erhaltene Mischung des vorerhitzen Prozeßgases und frischen Äustauschgases zunächst axial und dann radial durch das gesamte Katalysatorbett strömt, sich im mittleren Luftraum sammelt und so geführt wird, daß es die Außenseite der Rohre des Austauschers umgibt, von dessen Boden es direkt zum nächsten Katalysatorbett geführt wird, durch welches es zunächst axial, und dann radial strömt, sich in der Mitte sammelt und schließlieh aus dem Reaktor abgeführt wird.
Der erfindungsgemäße Reaktor hat den Vorteil, daß er . insgesamt einfach und äußerst wirksam ohne irgendeinen Volumenverlust aufgrund des Systems gebaut werden.kann, das die Prozeßtemperatur reguliert.
Insbesondere kann der innere Einsatz aus mehreren stapelbaren Moduleinsätzen gebaut werden, die leicht sind, da nur eine Wand massiv ist und vor Ort einfach montiert werden können, wobei die Katalysatorbetten oben offen sind.
Reaktoren mit Wärmetauschern, die zentral und axial zum
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Katalysatorbett angeordnet sind, sind an sich bekannt (US-PS 4 181 701). Bei einem solchen Reaktor mit einem ausschließlich radialen Strom ist ein Wärmetauscher in dem Mittelbereich eines Katalysatorbetts angeordnet und wird mit frischem Austauschgas beschickt. Ein solcher Reaktor, der ausschließlich radial durchströmt wird, ist verglichen mit dem der Erfindung sehr komplex gebaut und unterscheidet sich auch hinsichtlich Aufbau und Verhalten des Austauschers in der Wirtschaftlichkeit des gesamten Systems, welches die Prozeßbedingungen steuert. Außerdem ist der Volumenverlust bei dem bekannten Reaktor nicht vernachlässigbar.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel· eines Reaktor im Axialschnitt schematisch gezeigt ist, wird die Erfindung näher erläutert.
Der erfindungsgemäße Reaktor hat ebenso wie der aus der DE-OS 30 26 199, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird, bekannte Reaktor einen Druckmantel oder eine äußere -Hülle M und einen inneren Einsatz, der "in situ" aus mehreren Moduleinsätzen CU1, CU2...CU1...CUn-1, CU erhalten wird. Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur zwei Einsätze CU1 und CU2 gezeigt, von denen jeder eine Außenwand TQ hat, welche ein Stück mit dem Boden FO und mit einem Deckel CO bildet. Innerhalb der Außenwand TQ befinden sich eine erste zylindrische Wand T1, die auf ihrer gesamten axialen Länge von Löchern durchsetzt ist, und eine zweite zylindrische Wand T2, die ebenfalls von Löchern durchsetzt ist, jedoch ein lochfreies Längenstück T'2 hat. Die Innenwand T2 ist somit auf einem Längenstück von Löchern durchsetzt, welches der Differenz zwischen den axialen Erstreckungen T1 und T1, entspricht, d.h. T1-T^. Die .Seitenwände T1 und T2 + T' begrenzen mit dem Boden FO die Schicht oder das Katalysatorbett C1, das von Katalysatorgranulat gebildet wird. Der gleiche
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Moduleinsatzaufbau, d.h. einfach zusammengebaut durch Stapeln, ergibt sich bei CU2r dessen Katalysatorkorb C2 vom Boden FO1, von der innen voll mit Löchern durchsetzten Wand T1 2 und der Innenwand umschlossen ist, welche längs T2 , mit Löchern durchsetzt und längs T'o o lochfrei ist. Der Korb ist an der Oberseite frei, d.h. zwischen dem Boden FO des oberen Korbs C1 und der freien Oberfläche an der Oberseite des Korbs C2 befindet sich eine freie Zone Z2, die im wesentlichen ähnlich der freien Zone Z1 zwischen der Innenwand des Deckels CO und der freien oberen Oberfläche der Katalysatorschicht C1 ist. Aufgrund der lochfreien Wand T2 bzw. T2 2 an jedem Korb ist die Katalysatorzone Z1 mit dem axialen Ansatz T12 von einem vorherrschend axialen Gasstrom durchflossen, während die Zone Z.., mit dem Ansatz T2 der perforierten Wand von einem vorherrschend radialen Strom durchflossen ist.
Erfindungsgemäß hat nun ein Katalysatorkorb und insbesondere der Korb, der sich dem einen Ende des Reaktors am nächsten befindet, vorzugsweise dem dem Prozeßgaseinlaß IG gegenüberliegenden Ende, eine ringförmige zentrale Zone, die von einem indirekten Wärmetauscher HE eingenommen wird, der mit seinem Mittelrohr 15 zum Sammeln von Prozeßgas, mit einer unteren abschließenden Abdeckung 10 und mit einer Reihe von Wärmeaustauschrohren U eine wesentliche und vorteilhafte Anordnung in Kombination mit einem kurzen Durchlauf von frischem Wärmeaustauschgas EGI bildet, das direkt in die freie Zone Z1 des Katalysatorbettes C1 strömt.
Durch die günstige Kombination des Prozeßgasdurchgangs im Austauscher und des Austauschgases in der oben offenen Zone des Katalysatorbettes wird ein wirksames System zur Regulierung der Prozeßbedingungen mit einem einfachen und effizient gebauten Reaktor geschaffen. Wie die Zeichnung zeigt, tritt das kalte Einlaßgas bei IG ein und
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strömt vom Boden zur Oberseite längs des durch die Pfeile F1 angezeigten Wegs im Luftraum I zwischen den äußeren Wänden T und T ~ ^er Einsätze CU1, CU2 und der inneren Wand des Mantels M, der deshalb so gekühlt wird.
An der Oberseite des Reaktors wird dieser Hauptstom F1 zur Mitte der Leitung 15 im Zentrum des Wärmetauschers HE geführt, der auf diese Weise von F1 in einer Richtung, beispielsweise von oben nach unten durchströmt wird. Der Austauscher HE, der zentral und axial zum Katalysatorbett C1 angeordnet ist, ist auf der Unterseite durch einen Deckel 10 abgeschlossen, so daß das Gas F1 durch den Deckel 10 gezwungen wird, einen anderen Weg zu strömen, beispielsweise nach oben in den Rohren U des Austauschers, die das Gas in der freien Zone Z1 als vorgewärmtes*Gas F1 verläßt. In der gleichen Zone Z1, d.h. innerhalb des Deckels CO, kommt auch eine Leitung 8 an, die von einem Strom frischen Austauschgases EGI (Austauscher-Bypasseinlaß) durchflossen ist. Die Leitung 8 endet mit einem ringförmigen Auslaß 9 und verstreut über Z1 frisches Gas F , also Austauschgas, welches sich mit dem Hauptgasstrom F-j vermischt, der die Oberseite des Wärmetauschers HE verläßt, so daß in der Zone Z1 sich ein Gasgemisch
F0=F1 +F befindet, das zuerst durch die Zone Z.. von 2. Ip e la
C1 axial strömt und dann durch die Zone Z*. des Korbes mit einem vorherrschend radialen Strom weiterstrcmt und sich in dem Luftraum 21 jenseits der perforierten Wand T2 sammelt. Dieser Gasstrom F3, welcher der gemischte Gasstrom F0=F1 +F ist, der zunächst axial durch die Zone Z1 ζ 1 ρ e la
und dann radial zur Innenseite der Zone Z1b des Katalysatorbettes C1 geströmt ist und deshalb teilweise reagiert hat und somit heiß ist, muß, indem er sich im Bereich 22 sammelt, durch den Austauscher HE hindurchgehen, d.h. er muß außen um die Rohre U des Wärmetauschers HE herum. Dieser Weg des Gases F^ außerhalb der Rohre U ist durch die Halbkreispfeile F4 veranschaulicht. Das durch F4 dargestellte Gas überträgt Wärme auf den Hauptgasstrom F^, welcher der Strom F1 ist, nachdem er von oben nach unten
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längs des zentralen Rohrs 15 des Wärmetauschers geströmt ist. Aufgrund des Abschlusses durch den Deckel 10 strömt der Gasstrom P1- in den Rohren A im Wärmetauscher nach oben/ den er an der Oberseite als vorerwärmter Strom F1 verläßt, der sich mit den\ sekundären Austauschstrom F in der freien Zone Z- mischt.
Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, verläßt der Gasstrom F4, bei dem es sich um den Strom handelt, der am Bett C-] bereits teilweise reagiert hat, in welchem er sich beispielsweise bei 21 als Strom F3 gesammelt' hat, an den unteren ringförmigen Auslassen 18 den Austauscher HE.und strömt auf das zweite Katalysatorbett Cji durch dessen ersten Teil, der eine Erstreckung hat, die gleich der Höhe der unperforierten Wand T', ist, mit einem vorherrschend axialen Strom und durch den zweiten Teil,.-.auf dem sich die perforierte Wand T„ erstreckt, in einem vorherrschend radialen Strom-.. Der radiale Strom ist zentripetal wie in der Zone Z^ des ersten-Korbes C^, so daß das gesamte Gas, welches auch durch den zweiten Katalysatorkorb geströmt ist, sich als
Strom Fc sammelt und über das Rohr Tc aus dem Gasauslaß 5 t»
GO abgeht. Das System zur Steuerung der Gastemperatur im Reaktor gemäß der Erfindung erweist sich als äußerst wirksam, flexibel und zuverlässig. Es genügt tatsächlich, den Strom.des Austauschgases EGI = F entsprechend F1 und seinen Zustand nach dem Vorerhitzen F- zu steuern, um optimale Prozeßbedingungen einstellen zu können. Der Reaktor, bei welchem diese optimalen Prozeßbedingungen erreicht werden können, ist einfach gebaut und arbeitet äußerst wirksam. Es ergibt sich kein Verlust an tatsächlichem Volumen, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist. Der Einsatz kann aus stapelbaren Modulen zusammengesetzt werden, die keine Befestigung brauchen, sehr leicht sind, da sie nur eine.massive Wand haben und vor Ort aufgebaut werden können. Es sind keine Rohre für das Austauschgas EGI vorhanden, das
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durch den Reaktor strömt. Jeder Katalysatorkorb bleibt an der Oberseite offen, so daß Unterteilungswände zwischen den Körben nicht erforderlich sind. Auch der oberste Teil des Katalysators, der beim Stand der Technik nicht genutzt wird, wird axial genutzt. Die Erfindung läßt sich mit einem Reaktor mit beliebiger Anzahl von Katalysatorkörben und mit einer beliebigen Art von Einsätzen verwenden. Wenn nicht mehr als zwei Körbe vorhanden sind, kann erfindungsgemäß nur ein Austauscher genutzt werden. In dem dem zweiten Korb am nächsten liegenden Korb kann wenigstens ein weiterer Austauscher eingesetzt werden. Anstelle der bevorzugten stapelbaren Einsätze kann auch ein einstückiger Einsatz benutzt werden. In gleicher Weise kann der Austauscher HE durch einen anderen Austauscher mit den gleichen Verhaltenscharakteristika ersetzt werden.

Claims (2)

PATENTANWÄLTE SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2 Λ 3, MÖNCHEN ΘΟ POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-80O0 MÖNCHEN 96 ALSO PROFESSION-" L REPRESENTATIVES BEFORE THE BÜRO 'EAN PATENT OFFICE KARL LUDWIG SCHIPF (1964-1978) DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER DIPL. INQ. PETER STHEHL DIPL. CHEM. DR. UR&ULA SCHÜBEL-HOPT DIPL. INQ. DIETER EBBINGHAUS DR. INQ. DIETER FIWCK TELEFON (OB0) 48 OO 04 TELEX 6-23 BOB AURO D TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN DEA-22359 Patentansprüche
1. Reaktor für die heterogene Synthese, insbesondere für die katalytische Synthese von Ammoniak, Methanol, Brennstoff, höhere Alkohole, polymerisierbar^ Monomere und dergleichen, bestehend aus einem äu-ßeren Mantel, einem inneren Einsatz mit einer massiven Wand, die einen Luftraum mit der Innenfläche des Mantels bildet, aus wenigstens einem Bett oder Katalysatorkorb aus einem Katalysatorgranulat, das auf einem Boden und zwischen zwei konzentrischen zy3 indrischen Wänden angeordnet ist, von denen die äußere auf ihrer ganzen axialen Länge von Löchern durchsetzt ist, während die innere Wand nur auf einem geringen Teil ihrer Fläche frei von Löchern ist,, aus Einrichtungen zum Fördern von Synthese oder ProzeBgas, aus Einrichtungen zum Abführen .von Reaktionsgas, aus einem Prozeßgaswärmetauscher und aus Einrichtungen zum Fördern des frischen Wärmeaustauschgases zum Wärme-" tauscher, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher zentral und axial zum Katalysatorbett angeordnet ist, daß das frische Prozeßgas, welche die Mantelinnenwand gekühlt hat, sich in einer Leitung zentral zum Austauscher sammelt, längs diesem in 01
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einer Richtung (beispielsweise von oben nach unten) und dann wieder längs des gleichen Wegs jedoch in entgegengesetzter Richtung in den Rohren des Wärmetauschers strömt, und vorerhitzt nach außen in die freie obere Zone über dem Katalysatorbett strömt, wo es mit freiem Austauschgas vermischt wird, welches direkt von der Außenseite in diese Zone eingeführt wird, daß das so erhaltene Gemisch aus vorerhitztem Prozeßgas und frischem Austauschgas zuerst axial und dann radial durch die gesamte .Katalysatorschicht strömt, sich in dem zentralen Luftraum sammelt,.zum Umströmen der Außenseite der Rohre des Austauschers gebracht wird, von dessen Boden es direkt zum nächsten Katalysatorbett gefördert wird, durch welches es zuerst axial und dann radial strömt und sich in der Mitte sammelt und schließlich aus dem Reaktor entfernt wird.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Einsatz in dem Mantel aus mehreren übereinander gestapelten Moduleinsätzen besteht, wobei jeder Einsatz einen Katalysatorkorb aufweist/ der sowohl axial als auch radial durchströmbar ist.
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DE3146778A 1980-11-28 1981-11-25 Reaktor zur Durchführung heterogener katalytischer Gasreaktionen Expired - Lifetime DE3146778C3 (de)

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