DE3146778C3 - Reaktor zur Durchführung heterogener katalytischer Gasreaktionen - Google Patents
Reaktor zur Durchführung heterogener katalytischer GasreaktionenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung
heterogener katalytischer Gasreaktionen, insbesondere zur
katalytischen Synthese von Ammoniak, Methanol, höheren Alkoholen und
polymerisierbaren Monomeren, gemäß dem Oberbegriff des ersten
Patentanspruchs.
Ein derartiger Reaktor ist bereits aus der DE-OS 30 26 199
bekannt. Die Katalysatorbetten sind nach oben hin völlig
offen und werden seitlich von zwei zylindrischen und zu
einander konzentrischen Wänden begrenzt. Die äußere zylin
drische Wand ist ganz mit Löchern durchsetzt, während die
innere Wand im wesentlichen aus zwei Abschnitten besteht,
nämlich einem unteren perforierten Abschnitt und einem
oberen massiven, und damit gasundurchlässigen Abschnitt,
welcher von der Außenwand der zentral durch das Innere des
Reaktors führenden Gasleitung gebildet wird. Bei diesem vor
bekannten Reaktor ist ferner zwischen der inneren Wand des
Katalysatorbetts und dem zentral angeordneten Wärmetauscher
koaxial ein ringförmiger Luftraum zum Sammeln des Reaktions
gases nach Durchströmen des Katalysatorbetts vorgesehen.
Dieser Luftraum wird nach außen hin von dem unteren per
forierten Abschnitt der inneren zylindrischen Wand des
Katalysatorbetts und nach innen hin von einer zusätzlichen,
in geringem Abstand koaxial um den zentralen Wärmetauscher
angeordneten massiven Wand umgrenzt. Das obere Ende dieses
Luftraums steht mit dem Wärmetauscher in Verbindung.
Aus der DE-AS 21 26 211 ist ein Reaktor bekannt, dessen
Katalysatorschichten von gasundurchlässigen Behälterböden
und -deckeln begrenzt sind. Zwischen zwei übereinanderliegen
den Katalysatorlagen sind Zwischenwärmetauscher angeordnet.
Der Reaktor gemäß DE-PS 27 10 247 weist Katalysatorbetten auf,
welche sich zwischen einer inneren und einer äußeren konzen
trischen, durchbrochenen Wand und zwei gegenüberliegenden
Katalysatorplatten befinden. Zentral zu einem Katalysatorbett
ist ein Gas-Gas-Wärmetauscher angeordnet. Diese beiden Wärme
tauscher werden lediglich durch ein kurzes Verbindungsrohr
miteinander verbunden.
Mit der DE-PS 17 67 230 ist weiter ein Gasreaktor bekannt ge
worden, bei dem innerhalb eines äußeren Mantels ein innerer
Einsatz vorgesehen ist, welcher mehrere Katalysatorbetten auf
nimmt. Auch hier sind mindestens zwei Gas-Gas-Wärmetauscher
in einem Raum angeordnet, der von einem Katalysatorbett um
geben ist. Das aufzuheizende Prozeßgas wird in Teilströmen durch
die Wärmetauscher geleitet.
Die DE-OS 23 20 083 zeigt und beschreibt einen Wärmetauscher.
Darüber hinaus ist aus der US-PS 41 80 543 ein Reaktor für die
Ammoniaksynthese mit einem Wärmetauscher bekannt, welcher
zwischen zwei Katalysatorbetten angeordnet ist.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines Gas
reaktors zur Durchführung heterogener katalytischer Gas
reaktionen, welcher sich durch einen verbesserten Wirkungs
grad auszeichnet und bei dem die Steuerung der Gastemperatur
innerhalb des Reaktorgehäuses äußerst wirksam, flexibel und
zuverlässig geschehen kann. Der Reaktor sollte sich ferner
durch einen möglichst einfachen konstruktiven Aufbau aus
zeichnen.
Bei der Lösung dieser technischen Aufgabe wird ausgegangen
von einem Reaktor der eingangs erwähnten Art; gelöst wird die
Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan
spruchs 1.
Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Gasreaktor strömt das
zu verarbeitende Prozeßgas unten in das Reaktorgehäuse ein.
Es strömt zwischen äußerem Mantel und innerem Einsatz nach
oben und gelangt von dort in die zentral und axial entlang der
gesamten Länge des Wärmetauschers angeordnete Sammelleitung.
Nach Durchströmung dieser Sammelleitung in Abwärtsrichtung
wird das Prozeßgas mittels einer am unteren Ende des Wärme
tauschers vorgesehenen Abdeckung umgelenkt, so daß es nun
in entgegengesetzter Strömungsrichtung, also nach oben durch
den Wärmetauscher strömt. Am oberen Ende des Wärmetauschers
angelangt, wird das so vorerhitzte Prozeßgas durch das den
Wärmetauscher koaxial umgebende Katalysatorbett geleitet,
welches es in einer oberen Zone mit vorwiegend axialer
Strömungsrichtung und in der darunter befindlichen zweiten
Zone mit vorwiegend radialer Strömungsrichtung durchströmt.
Anschließend sammelt sich das Reaktionsgas in dem koaxialen
ringförmigen Gasraum zwischen innerer Wand des Katalysator
betts und zentralem Wärmetauscher, strömt darin nach oben
und wird von da entlang den Außenseiten der Rohre des Wärme
tauschers nach unten geleitet. Dabei findet ein Wärmeaus
tausch zwischen dem durch die katalytische Umwandlung inner
halb des Katalysatorbetts erhitzten Reaktionsgas und dem
in Gegenrichtung nach oben innerhalb der Rohre des Wärme
tauschers strömenden frischen Prozeßgas statt. Durch ringförmige
Auslässe zwischen der Abdeckung und der inneren Begrenzungs
wand des ringförmigen Luftraums zwischen innerer Wand des
Katalysatorbetts und Wärmetauscher tritt das Reaktionsgas
in eine unterhalb des Katalysatorbetts liegende freie Zone
aus. Es kann nun in das nächste Katalysatorbett einströmen.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Gasreaktor verfügt über
ein System zur Steuerung der Gastemperatur, welches sich
als äußerst wirksam, flexibel und zuverlässig erwiesen hat.
Dies ist wichtig, um optimale Prozeßbedingungen zu erreichen.
Aufgrund des streng koaxialen Aufbaus wird das zur Ver
fügung stehende Volumen optimal ausgenutzt. Der Reaktor ist
in konstruktiver Hinsicht einfach und zeichnet sich durch
einen äußerst hohen Wirkungsgrad aus.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der innere Einsatz
von zwei übereinander gestapelten
Moduleinsätzen gebildet, die jeweils
ein Katalysatorbett enthalten, wobei
der Moduleinsatz, der das dem
Wärmetauscher zugeordnete Kataly
satorbett enthält, oberhalb des ande
ren Moduleinsatzes angeordnet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an
hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die einzige
Figur zeigt einen Reaktor in einem Längsschnitt entlang der
Mittelachse.
Das Reaktorgehäuse wird von einem äußeren Mantel M gebildet.
Dieser äußere Mantel M enthält einen inneren Einsatz, welcher
aus zwei übereinandergestapelten Moduleinsätzen CU1, CU2
besteht. Jeder Modulein
satz CU1, CU2 hat eine Außenwand To,
To2, an welche einstückig ein Boden FO sowie ein Deckel CO
angeformt ist. Innerhalb der Außenwand To des oberen Modul
einsatzes CU1 befindet sich eine äußere zylindrische Wand T1,
die auf ihrer gesamten axialen Länge von Löchern durchsetzt
ist, sowie eine hierzu koaxiale, innere zylindrische Wand
T2, die in ihrem unteren Teilabschnitt ebenfalls von Löchern
durchsetzt ist, jedoch oben einen lochfreien massiven Ab
schnitt T′2 aufweist. Die beiden zylindrischen Wände T1 und T2
begrenzen zusammen mit dem Boden FO ein Katalysatorbett C1,
welches von granuliertem Katalysator gebildet wird.
Der untere Moduleinsatz CU2 besitzt in gleicher Weise einen
Boden FO′, eine vollständig mit Löchern durchsetzte äußere
zylindrische Wand T1.2 und eine innere zylindrische Wand T2.2
mit einem oberen massiven Abschnitt T′2.2. Zwischen der
Innenwand des Deckels CO und der nach oben hin offenen Ober
seite des Katalysatorbetts C1 befindet sich eine freie Zone
Z1. Ebenso befindet sich eine freie Zone Z2 zwischen dem
Boden FO des oberen Katalysatorbetts C1 und der freien
Oberseite des unteren Katalysatorbetts C2. Aufgrund der
abdichtenden Wirkung der gasdichten Abschnitte T′2, T′2.2
wird in jedem der Katalysatorbetten C1, C2 eine obere Zone
Z1a, Z2a mit vorherrschend axialer Durchströmungsrichtung
und eine untere Zone Z1b, Z2b mit vorherrschend radialer
Durchströmungsrichtung gebildet.
Zentral und axial zum oberen Katalysatorbett C1 ist ein
Gas/Gas-Wärmetauscher zur Vorerhitzung des frischen Prozeß
gases angeordnet. Eine Leitung 15 zum Sammeln und Leiten
des frischen Prozeßgases erstreckt sich zentral und axial entlang der
gesamten Länge des Wärmetauschers HE. An seinem unteren Ende
weist der Wärmetauscher HE eine Abdeckung 10 zur Umlenkung
des Prozeßgases in die gegenüber der Leitung 15 entgegen
gesetzte Strömungsrichtung auf. Zwischen der inneren zylin
drischen Wand T2 des Katalysatorbetts C1 und dem zentralen
Wärmetauscher HE ist ferner ein koaxialer ringförmiger
Gasraum 21 zum Sammeln des Reaktionsgases nach Durchströmen
des Katalysatorbetts C1 vorgesehen, welcher an seinem
oberen Ende mit dem Wärmetauscher HE in Verbindung steht.
Durch einen Einlaß IG im unteren Teil des äußeren Mantels
M tritt kaltes Prozeßgas ins Innere des Reaktorgehäuses ein
und strömt vom Boden nach oben längs des durch Pfeile F1
angedeuteten Wegs durch einen Gasraum I zwischen den
Außenwänden To, To2 der Moduleinsätze CU1, CU2 und der
inneren Wand des äußeren Mantels M, welcher auf diese
Weise gekühlt wird. An der Oberseite des Reaktors angelangt,
wird dieser Hauptstrom zentral zur Leitung 15 geleitet
und strömt so durch das Zentrum des Wärmetauschers HE
nach unten. Am unteren Ende des zentralen und axialen
Wärmetauschers HE trifft das Prozeßgas auf die Abdeckung
10, so daß es gezwungen wird, nun in umgekehrter Richtung
nach oben in den Rohren U des Wärmeaustauschers HE zu
strömen. Als vorgewärmtes Gas F1p verläßt das Prozeßgas
den Wärmetauscher HE und gelangt in die freie Zone Z1
über dem Katalysatorbett C1. In diese freie Zone Z1
unterhalb des Deckels CO des Moduleinsatzes CU1 mündet
eine Leitung 8, die von einem Strom frischen Austausch
gases EGI durchflossen ist. Die Leitung 8 endet mit einem
ringförmigen Auslaß 9 oberhalb des Wärmetauschers HE
und läßt frisches Gas Fe in die freie Zone Z1 strömen,
welches sich dabei mit dem bereits vorgewärmten Gas F1p
vermischt. Innerhalb der Zone Z1 befindet sich somit ein
Gasgemisch F2 = F1p + Fe, das nun zuerst durch die obere
Zone Z1a des Katalysatorbetts C1 in axialer Richtung und
durch die Zone Z1b in vorherrschend radialer Richtung
strömt, um sich anschließend im Gasraum 21 jenseits der
inneren zylindrischen Wand T2 zu sammeln. Das Gas F3 inner
halb des Gasraums 21 ist infolge der Durchströmung des
Katalysatorbetts C1 bereits teilweise katalytisch umge
wandelt und somit erhitzt; es sammelt sich in einem Bereich
22 oberhalb des Gasraums 21 und wird von dort um die
Außenseiten der Rohre U des Wärmetauschers HE herum nach
unten geleitet, was durch halbkreisförmige Pfeile F4
veranschaulicht wird. Dabei wird Wärme auf den in entgegen
gesetzter Richtung durch die Leitung 15 strömenden Haupt
gasstrom F1 abgegeben, welcher somit vorerwärmt wird.
Durch die ringförmigen Auslässe 18 zwischen Abdeckung 10 und
innerer Begrenzungswand des ringförmigen Gasraums 21 strömt
das teilweise katalytisch umgewandelte Gas gemäß F4 in
die freie Zone Z2 über dem zweiten Katalysatorbett C2. Auch
das zweite Katalysatorbett C2 wird in einer oberen Zone Z2a
axial und in der darunterliegenden zweiten Zone Z2b radial
durchströmt. Als Gasstrom F5 sammelt sich das Gas an
schließend in einem zentralen Gasraum innerhalb des
Katalysatorbetts C2 und verläßt über ein Rohr T5 und einen
Gasauslaß GO das Innere des Reaktors.
Zur flexiblen und wirksamen Steuerung der Gastemperatur
innerhalb des Reaktors läßt sich der Strom des über den
Ringauslaß 9 zugeführten Austauschgases EGI bzw. Fe
so einstellen, daß die Temperatur des Gasgemischs F2 stets
optimal ist.
Claims (4)
1. Reaktor zur Durchführung heterogener katalytischer Gas
reaktionen, insbesondere zur katalytischen Synthese von
Ammoniak, Methanol, höheren Alkoholen und polymerisierbaren
Monomeren, mit
- - einem das Reaktorgehäuse bildenden äußeren Mantel,
- - einem inneren Einsatz mit massiver Wand,
- - einem Gasraum zwischen äußerem Mantel und innerem Einsatz,
- - wenigstens zwei oben offenen Katalysatorbetten, jeweils gebildet von einem Boden und zwei konzentrischen zylin drischen Wänden, zwischen denen sich ein Katalysator granulat befindet, wobei die äußere zylindrische Wand ganz und die innere Wand zumindest auf einem Teilabschnitt mit Löchern durchsetzt ist,
- - je einer freien Zone über den Katalysatorbetten,
- - wenigstens einem Einlaß für frisches Prozeßgas und Auslaß zum Abführen des Reaktionsgases,
- - einem zentral und axial zu einem Katalysatorbett ange ordneten Gas/Gas-Wärmetauscher zur Vorerhitzung des frischen Prozeßgases,
- - einer Leitung zum Sammeln und Leiten des frischen Prozeß gases zum einen Ende des Wärmetauschers und
- - einem koaxialen ringförmigen Gasraum zwischen innerer Wand des Katalysatorbettes und zentralem Wärmetauscher zum Sammeln des Reaktionsgases nach Durchströmen des Katalysatorbetts, welcher an seinem einen Ende mit dem Wärmetauscher in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Leitung (15) zum Sammeln und Leiten des frischen Prozeßgases zentral und axial entlang der gesamten Länge des Wärmetauschers (HE) angeordnet ist,
- - der Wärmetauscher (HE) an seinem unteren Ende mit einer Abdeckung (10) zur Umlenkung des Prozeßgases in die gegenüber der Leitung (15) entgegengesetzte Strömungs richtung durch die Wärmetauscherrohre versehen ist, und
- - der Wärmetauscher (HE) an seinem unteren Ende außerdem Auslässe (18) zum nächsten Katalysatorbett (C2) aufweist, die zwischen der Abdeckung (10) und der inneren Begrenzungswand des ringförmigen Gasraums (21) angeordnet sind.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Auslässe (18) des Wärmetauschers (HE) in
die freie Zone (Z2) zwischen dem Katalysatorbett (C1)
und dem nächsten Katalysatorbett (C2) münden.
3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
innere Einsatz von zwei übereinander gestapelten Modulein
sätzen (CU1, CU2) gebildet wird, die jeweils ein Katalysa
torbett (C1, C2) enthalten, wobei der Moduleinsatz (CU1),
der das dem Wärmetauscher (HE) zugeordnete Katalysatorbett
(C1) enthält, oberhalb des anderen Moduleinsatzes (CU2)
angeordnet ist.
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