DE3217066A1

DE3217066A1 - Reaktor zur durchfuehrung katalytischer reaktion

Info

Publication number: DE3217066A1
Application number: DE19823217066
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. 8026 Zell Link; Karl-Heinz Ing.(grad.) 8261 Tittmoning Schrenker
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1982-05-06
Filing date: 1982-05-06
Publication date: 1983-11-10
Also published as: US4636365A; DE3217066C2

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(H 1320) H 82/36

Fa/fl 5.5. 1982

Reaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen mit in einem in dem Reaktor befindlichen Katalysatorbett verlaufenden Rohren zur Führung eines Wärme zu- oder abführenden Fluids, wobei die Rohre an ihren oberen und unteren Enden in Rohrsammlern zusammengefaßt sind..

Ein derartiger Reaktor dient zur Durchführung von exo- oder endothermen katalytischen Reaktionen, wie beispielsweise Methanolsynthese, Methanisierung oder Ammoniaksynthese. In dem Reaktorgehäuse ist eine Katalysatorschüttung eingebracht, in die die reagierenden Fluide eingeleitet werden. In Kontakt mit dem Katalysator findet eine Reaktion dieser Fluide zu dem Syntheseprodukt statt. Je nach dem, ob die ablaufende Reaktion endo- oder exotherm ist, muß während der Reaktion Wärme zu- oder abgeführt werden, damit die Reaktion überhaupt abläuft bzw. damit unerwünschte Nebenreaktionen unterdrückt werden. Die Wärmeübertragung erfolgt mit Hilfe eines Fluids, das durch in die Katalysatorschüttung eingebettete Rohre geführt ist. Am oberen und am unteren Ende des Reaktors sind

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die Rohre in ebenen Rohrsammlern zusammengefaßt, über die das Fluid zu- und abgeführt wird. Die Rohrsammler dienen zugleich auch als Auflagefläche für die Katalysatorschüttung.

Von Zeit zu Zeit muß bei einem derartigen Reaktor der Betrieb unterbrochen werden, nämlich, wenn die Katalysatoraktivität erschöpft ist. Dann wird der verbrauchte Katalysator aus dem Gehäuse entnommen und durch frischen Katalysator ersetzt. Die Entnahme des verbrauchten Katalysators ist jedoch unter Umständen mit Schwierigkeiten verbunden. Zwar sind die Öffnungen, Jie für das Entleeren vorgesehen sind, theoretisch groß genug, um ein reibungsloses Ausfließen des Katalysators zu ermöglichen, in der Praxis erweisen sich die Kühlrohre in der Nähe der Entleerungsöffnungen für das Entleeren jedoch als hinderlich. Aus konstruktiven Gründen müssen die Rohre relativ dicht liegen - der Rohrabstand liegt unter Umständen in derselben Größenordnung wie der Durchmesser der Katalysatorteilchen oder allenfalls eine Größenordnung darüber. Werden nun die Entleerungsöffnungen am Reaktorgehäuse geöffnet, so werden zwar zunächst die in der Nähe der Öffnung befindlichen Teilchen der Schüttung ausfließen und die Schüttung von oben nachsacken. Aufgrund der engen Rohrabstände verklemmen sich jedoch die nachrutschenden Katalysatorteilchen im Bereich der Entleerungsöffnung, so daß insbesondere die weiter innen im Reaktor gelegenen Katalysatorteilchen nicht von selbst ausfließen können. Aus diesem Grund muß zur vollständigen Entleerung des Reaktors ständig mechanisch oder manuell nachgeholfen werden. Dadurch ist der Entleerungsvorgang arbeitsintensiv und nimmt viel Zeit in Anspruch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem ein rasches und störungsfreies Entleeren der Katalysatorschüttung möglich ist.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest einer der Rohrsammler eine vom Reaktionsraum aus gesehen konvexe Krümmung aufweist.

Erfindungsgemäß weist der untere Rohrsammler eine von der Mitte des Reaktors nach außen hin abfallende Oberfläche auf. Die Auslaßöffnung für die Katalysatorschüttung befindet sich in Höhe des tiefsten Punktes des Rohrsammlers oder darunter . Durch den Erfindungsgegenstand fließt der Katalysator beim Entleeren des Reaktors auf der nach außen hin abfallenden Oberfläche des Rohrsammlers zur Auslaßöffnung ab, so daß ein Aufstauen der Katalysator teilchen vermieden wird. Es lassen sich somit die Ausfallzeiten beim Auswechseln des Katalysators verringern. Ein weiterer Vorteil, der sich durch den Erfindungsgegenstand ergibt, ist die· hohe DfUük-¹² festigkeit des gekrümmten Rohrsammlers. Umgekehrt läßt sich der Rohrsammler bei gleicher Druckstabilität dünner und damit preisgünstiger herstellen. Überdies läßt sich durch den Erfindungsgegenstand eine besonders gleichmäßige Verteilung, des Fluids auf die einzelnen Rohre erreichen.

Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegen^tandos weisen die Rohrsammler zumindest annähernd eine Teilkugelfläche auf. Vorzugsweise sind die Rohrsammler halbkugelförmig ausgebildet.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind die Scheitelpunkte der Rohrsammler in der Achse des Reaktors angeordnet.

Es erweist sich als zweckmäßig, wenn in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes die Enden der Rohre ■ auf Meridianlinien durch den Scheitelpunkt der Rohrsammler in die Rohrsammler münden.
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Bei dieser Ausgestaltung liegen die Rohrenden, in senkrechter Projektion betrachtet, in sternförmiger Anordnung, d.h. der Abstand zwischen benachbarten Rohren mit demselben radialen Abstand von der Reaktor-Mittelachse wird zur Reaktoraußenwand hin größer. Mit dieser Maßnahme wird das Ausfließen der Katalysatorschüttung erleichtert.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist auf den unteren Rohrsammler im Bereich seines Scheitelpunktes eine kegelförmige Kalotte aufgesetzt. Der Kegelöffnungswinkel gegen die Kegelachse beträgt maximal '50°. Diese Anordnung begünstigt das Abrutschen des Katalysators beim Entleeren in dem Bereich, in dem die Oberfläche des Rohrsammlers relativ flach ist.

In Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen, daß der obere Rohrsammler als unterer Boden einer in den Reaktor integrierten Dampftrommel ausgebildet ist.

Diese Anordnung ist immer dann sinnvoll, wenn das in den Rohren strömende Fluid in dem Reaktor teilweise verdampft. Üblicherweise wird der Dampf von dem nicht verdampfenden Anteil des Fluids abgetrennt und die verbleibende Flüssigkeit erneut dem Speisefluid zugeführt. Die Dampfabtrennung erfolgte bisher in einer von dem Reaktor getrennten Dampftrommel. Dies brachte den Nachteil mit sich, daß die Dampftrommel je nach dem auftretenden Druck relativ aufwendig gebaut sein mußte. Der untere Boden der Dampftrommel ist nunmehr zugleich Teil des ohnehin vorhandenen Rohrsammlers, so daß hier Material eingespart wird. Als weiterer Vorteil entfallen die bisher erforderlichen Verbindungsleitungen zwischen dem Reaktor und der Dampftrommel. Betriebsinstabilitäten aufgrund von Phasentrennungen in den Zu.füh- rungsleitungen entfallen somit. Bei einer vorteilhaften

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Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes nimmt in den Rohrsammlern der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Öffnungen für die Rohrenden vom Scheitelpunkt zum äußeren Rand der Rohrsammler vom mindestens 1,5-fachen bis'zum' maximalen 15-fachen der Katalysator-Korngröße zu. Diese Werte haben sich hinsichtlich des Entleerungsvorganges als besonders vorteilhaft erwiesen.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung wcrden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Hierbei zeigen:

Figur 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgeitiäßeh

Reaktors,

Figur 2 einen erfindungsgemäßen Rohrsammler in Draufsicht.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Reaktor zur Durchführung einer Methanolsynthese. Der Reaktor besitzt ein Gehäuse 1, das einen Reaktionsraum 7 umschließt, in dem sich eine Schüttung von Katalysatorteilchen befindet, die bei Bezugsziffer 2 angedeutet ist. In der Schüttung sind zur Abführung der Reaktionswärme Kühlrohre 3 eingebettet, die, je nach Bedarf, geradlinig in axialer Richtung verlaufen oder, wie im gezeigten Beispiel, um ein Kernrohr 4 gewickelt sind. Die Enden der Rohre 3 sind in Rohrsammlern 5,6 zusammengefaßt· Erfindungsgemäß sind die Rohrsammler 5,6 vom Reaktionsraum 7 aus gesehen, konvex gekrümmt. Der untere Rohrsammler 5 dient zugleich als Auflage für die Schüttung.

Im Bereich seines Scheitelpunktes ist auf den unteren Rohrsammler 5 eine kegelförmige Kalotte 18 aufgesetzt,

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deren oberes Ende dicht am Kernrohr 4 anliegt. Die Rohre sind unterhalb der Kalotte 18 in den Rohrsammler 5 geführt. Die Kalotte 18 erhöht die Neigung der Schüttungsauflage im Mittelbereich des Reaktors, so daß die Schüttung leichter ablaufen kann.

Unterhalb des unteren Randes des unteren Rohrsammlers 5 befindet sich eine Auslaßöffnung 8 in der Wand des Gehäuses 1, die beim Betrieb des Reaktors verschlossen ist und zum Entleeren der Schüttung geöffnet wird. Selbstverständlich können zusätzlich zu der dargestellten Auslaßöffnung 8 mehrere über den Umfang des Reaktors verteilt angeordnete Auslaßöffnungen vorgesehen sein.

Ein Gitterrost 14 verbindet den unteren Rand der Auslaßöffnung 8. mit dem unteren Rand des Rohrsammlers 5, um zu verhindern, daß Teilchen der Schüttung bis unter die Auslaßöffnung 8 gelangen. Der Gitterrost 14 ist entbehrlich, wenn der Rohrsammler 5 bis unmittelbar an die Wand des Gehäuses 1 reicht.

Der Reaktionsraum 7 weist eine Zuführungsöffnung 15 und eine Abführungsöffnung 16 für Synthesegas auf. Die Abführungsöffnung 16 ist mit einem Sieb 17 versehen, um ein Ausfließen des Katalysators zu verhindern.

Der durch den unteren Rohrsammler 5 gebildete Sammelraum steht mit einer Zuführung 10 für Speisewasser in Verbindung. Das Speisewasser wird über den Sammelraum 9 auf die Rohre 3 verteilt. Die oberen Enden der Rohre 3 sind in dem oberen Rohrsammler 6 zusammengefaßt, der gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal zugleich als unterer Boden einer Dampftrommel 11 ausgebildet ist, die in das Gehäuse 1 des Reaktors integriert ist.

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Das Speisewasser wird beim Durchströmen der Rohre 3 durch die aufgenommene Reaktionswärme teilweise verdampft. In der Dampftrommel 11 werden die flüssigen und gasförmiqen Phasenanteile voneinander getrennt. Die Dampftrommel 11 weist einen Stutzen 12 an ihrem oberen Ende zur Dampfentnahme und eine Entnahmeleitung 13 für nichtverdampftes Wasser auf, das in die Speisewasserleitung 10 zurückgeführt wird.

Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Rohrsammler in Draufsieht. Hierbei sind analoge Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen. Es ist erkennbar, daß die für die Befestigung der Rohrenden vorgesehenen öffnungen 19 auf Meridianlinien durch den Scheitelpunkt des Rohrsammlers 5 liegen. Aufgrund dieser Anordnung vergrößern sich die Abstände a zwischen nebeneinander liegenden Rohifön" 1 , d.h. Rohren mit im wesentlichen in denselben radialen Abstand von der Reaktor-Mittelachse, mit wachsendem Abstand vom Scheitelpunkt, so daß sich für die Teilchen der Schüttung, die auf dem Rohrsammler 5 ruhen, zur Auslaßöffnung hin breiter werdende "Straßen" ergeben, die ein zügiges Entleeren des Reaktors ermöglichen. Der Abstand a beträgt an der engsten Stelle (in der Nähe des Scheitelpunktes) mindestens das 1,5-fache und an der weitesten Stelle (in der Nähe des unteren Randes des Rohrsammlers 5) maximal das 15-fache des Durchmessers eines Katalysatorteilchens.

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Claims

(H1320) H 82/36 Fa/fl 5.5.82 Patentansprüche

1. Reaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen mit in einem in dem Reaktor befindlichen Katalysatorbett verlaufenden Rohren zur Führung eines Wärme zu- oder abführenden Fluids, wobei die Rohre an ihren oberen und unteren Enden in Rohrsammlern zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Rohrsammler (5,6) eine vom Reaktionsraum (7) aus gesehen konvexe Krümmung aufweist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrsammler (5,6) zumindest annähernd eine Teilkugelfläche aufweisen.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitelpunkte der Rohrsammler (5,6) in der Achse des Reaktors angeordnet sind.

4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Rohre (3) auf Meridianlinien durch den Scheitelpunkt der Rohrsammler (5,6) in die Rohrsammler (5,6) münden.

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