DE3505351A1

DE3505351A1 - Adsorber- oder katalysatoreinheit sowie verfahren zur adsorptiven oder katalytischen behandlung eines fluidstromes

Info

Publication number: DE3505351A1
Application number: DE19853505351
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. 8000 München Becker; Jürgen Dipl.-Ing. 8021 Kleindingharting Kersten
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1985-02-15
Filing date: 1985-02-15
Publication date: 1986-08-21

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Adsorber- oder Katalysatoreinheit mit einer in einem Strömungsweg angeordneten Adsorberoder Katalysatormasse. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur adsorptiven oder katalytischen Behandlung eines Fluidstromes mit einer derartigen Adsorber- oder Katalysatoreinheit, bei dem der Fluidstrom durch eine mit Adsorber- oder Katalysatormasse gefüllte Behandlungszone geleitet wird.
Bei der Durchführung einer katalytischen Reaktion oder einer Adsorption wird ein zu behandelnder Fluidstrom durch eine Katalysatormasse oder Adsorbermasse geleitet. Wichtige Kenngrößen für die Auslegung der Katalysator- oder Adsorbermasse sind die sogenannte Raumgeschwindigkeit und die Lineargeschwindigkeit Durch erstere wird das für den gewünschten Prozeß notwendige Katalysator- oder Adsorbervolumen definiert, durch letzteres die Mindestfläche, auf die die Schüttung verteilt werden muß.
In vielen Anwendungsfällen ist die aus Platzgründen oder sonstigen Randbedingungen zur Verfügung stehende Fläche für die Masse kleiner als die aus verfahrenstechnischen Gründen notwendige Fläche. Zur Behebung dieser Schwierigkeit wurde bereits vorgeschlagen, daß - bei insgesamt vertikaler Strömungsrichtung des zu behandelnden Fluidstromes in der Adsorber-oder Katalysatoreinheit - mehrere senkrecht angeordnete Betten für die Masse vorgesehen sind, die von dem Fluidstrom in horizontaler Richtung durchströmt werden. Auf diese Weise läßt sich ein wirksamer Querschnitt bereitstellen, der größer als der Querschnitt des Strömungsweges ist.
Allerdings weist eine derartige Anordnung der Masse den Nachteil auf, daß aufgrund des im unteren Bereich der Betten auftretenden höheren Schüttgewichtes eine starke mechanische Belastung der Katalysator- oder Adsorbensteilchen auftritt. Bei abriebempfindlichen Teilchen kommt es dadurch zu einem erhöhten Verschleiß und es besteht die Gefahr, daß die Masse nach unten sackt. Am oberen Rand der Masse bilden sich Spalte, durch die ein Teil des Fluidstromes an der Masse vorbeiströmt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Adsorber- oder Katalysatoreinheit der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei der auch bei engen Platzverhältnissen die erforderliche Fläche für das Bett zur Verfügung steht und bei der ein Verschleiß weitgehend vermieden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Masse gegen die Vertikale geneigt angeordnet und ihre Oberfläche größer als die Querschnittsfläche des Strömungsweges ist.
Bei der erfindungsgemäßen Adsorber- oder Katalysatoreinheit ist die Masse nicht vertikal angeordnet, so daß aufgrund der dadurch erreichten geringeren Schütthöhen nur wenig Verschleiß durch Abrieb auftritt. Zugleich ist die Oberfläche der Masse, also der Anströmquerschnitt, größer als der Querschnitt des Strömungsweges, so daß sich die geometrischen Abmessungen des Strömungsquerschnittes verkleinern lassen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist die Masse aus zumindest zwei Schichten zusammengesetzt und die Summe der Oberflächen der Schichten größer als die Querschnittsfläche des Strömungsweges. Die Aufteilung des Bettes in mehrere Teilbetten vergrößert die Flexibilität hinsichtlich der Anordnung.
Es erweist sich als zweckmäßig, wenn wie weiter vorgeschlagen wird, die Schichten in Durchströmungsrichtung betrachtet, einander mindestens zum Teil überlagern. Bei dieser Anordnung liegen die Schichten mit Abstand zueinander in verschiedenen Ebenen senkrecht zur Durchströmungsrichtung des Fluidstromes, wobei zumindest Abschnitte der Schichten miteinander zur Deckung kommen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes die Schichten horizontal angeordnet sind. Bei dieser Anordnung ist der Verschleiß durch Abrieb am geringsten.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist zumindest ein Teil der Schichten stufenartig versetzt übereinander angeordnet.
Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist zumindest ein Teil derSchichten deckungsgleich übereinander angeordnet.
Wie weiter vorgeschlagen wird, sind die Schichten in einem Strömungsweg von kreisförmigem oder rechtekkigem Querschnitt symmetrisch zu dessen Längsachse angeordnet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist die Adsorber- oder Katalysatormasse in einem gemeinsamen Behälter mit einem Wärmetauscher angeordnet. Bei dieser Anordnung ist der Querschnitt des Behälters unter Umständen durch die Abmessung des Wärmetauschers fest vorgegeben. Mit dem Erfindungsgegenstand läßt sich die benötigte Fläche für die Masse diesen Abmessungen exakt anpassen. Der Wärmetauscher ist vorzugsweise als regenerativer oder rekuperativer Wärmetauscher ausgebildet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes liegt die Masse in Form einer Schüttung oder von Blöcken vor. Die Blöcke weisen Strömungskanäle für das zu behandelnde Fluid von beispielsweise wabenförmigem oder rechteckigem Querschnitt auf, die in der gewünschten Strömungsrichtung des Fluides verlaufen.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur adsorptiven oder katalytischen Behandlung eines Fluidstromes, bei dem der Fluidstrom durch eine mit Adsorber- oder Katalysatormasse gefüllte Behandlungszone geleitet wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Fluidstrom mit einer vertikalen Geschwindigkeitskomponente durch die Behandlungszone geleitet wird und innerhalb der Behandlungszone ein größerer Strömungsquerschnitt des Fluidstromes als außerhalb der Behandlungszone eingestellt wird.
Bei der bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Fluidstrom in zumindest zwei Teilströme aufgeteilt, die getrennt voneinander verschiedenen Teilen der Behandlungszone zugeführt werden und deren Strömungsquerschnitte zumindest teilweise hintereinander liegen.
Es ist von Vorteil, wenn wie weiter vorgeschlagen wird, in der Behandlungszone ein Rauchgasstrom von Stickoxiden befreit wird.
Der Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Hierbei zeigen Fig. 1 bis 6 verschiedene Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes in schematischer Querschnittdarstellung, Fig. 7 eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes anhand eines Reaktors zur Entfernung von Stickoxiden aus einem Rauchgas.
Fig. 1 zeigt einen Strömungsweg 1, in welchem eine Adsorber- oder Katalysatormasse angeordnet ist. Die Masse 2 ist beispielsweise um 600 gegen die Vertikale geneigt. Ein Fluidstrom, beispielsweise ein Gas, das beim Durchströmen des Bettes 2 einer adsorptiven oder katalytischen Behandlung unterzogen wird, ist durch Pfeile 3 angedeutet. Die Oberfläche der Masse 2 ist größer als der Querschnitt des Strömungsweges 1.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist die Adsorber- oder Katalysatormasse aus zwei Schichten 4 zusammengesetzt, die spiegelbildlich zueinander gegen die Vertikale geneigt sind und die dachartig innerhalb des Strömungsweges 1 angeordnet sind. Die Summe der Oberflächen der beiden Schichten 4 ist größer als die Querschnittsfläche des Strömungsweges 1.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 setzt sich die Adsorber- oder Katalysatormasse aus mehreren parallel zueinander angeordneten Schichten 5 zusammen.
Zwischen benachbarten Schichten 5 ist jeweils eine vertikale Trennwand 8 angeordnet. Die Schichten 5 sowie die Trennwände 6 bilden zusammen ein etwa sägezahnförmiges Profil. Bei Betrachtung in Richtung des durch die Schichten 5 strömenden Fluides, d.h. senkrecht zur Oberfläche der Schichten 5, überlappen sich die Schichten 5 teilweise. Die Summe der Oberflächen der Schichten 5 ist wiederum größer als die Querschnittsfläche des Strömungsweges 1.
Fig. 4 zeigt eine Adsorber- oder Katalysatoreinheit, bei der vier Gruppen von jeweils vier Schichten 7 vorgesehen sind. Die Schichten 7 sind horizontal angeordnet, wobei jeweils die Schichten innerhalb einer Gruppe deckungsgleich übereinander angeordnet sind. Trennwände 8 sind zwischen den untersten Schichten 7 der beiden äußeren Gruppen und der Wand des Strömungsweges 1, zwischen den beiden untersten Schichten der inneren Gruppen, zwischen den obersten Schichten jeweils der äußeren und der inneren Gruppe, ferner in den äußeren Gruppen zwischen dem Außenrand der einen und dem Innenrand der nächsttieferen Schicht sowie in den inneren Gruppen zwischen dem inneren Rand der einen und dem äußeren Rand der nächsttieferen Schicht vorgesehen. Mit dieser Anordnung ergibt sich eine Aufteilung des Fluidstromes in insgesamt 16 Teilströme, die parallel die sechzehn Schichten 7 durchströmen. Innerhalb der durch die Gesamtheit der Schichten 7 definierten Behandlungszone wird auf diese Weise ein weitaus größrer Querschnitt als außerhalb der Behandlungszone eingestellt. Die generell vertikale Strömungsrichtung des Fluidstromes wird beibehalten. Die Anzahl der Schichten 7 richtet sich danach, wie stark der freie Strömungsquerschnitt aus strömungstechnischen Gründen eingeschnürt werden kann und wie groß das Verhältnis von verfügbarem Querschnitt zur notwendigen Anströmfläche ist.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind stufenförmig angeordnete horizontale Schichten 9 vorgesehen, die einander in Strömungsrichtung gesehen teilweise überlappen. Zwischen den Schichten 9 sind Trennwände 10 vorgesehen, die sich jeweils vom Innenrand der einen zum Außenrand der nächsthöheren Schicht 9 erstrecken. Die Schichten 9 sowie die Trennwände 10 sind symmetrisch zur Mittelachse des Strömungsweges 1 angeordnet. Die Summe der Oberflächen der Schichten 9 ist größer als die Querschnittsfläche des Strömungsweges 1. Bei der gezeigten Anordnung wurde davon ausgegangen, daß der freie Strömungsquerschnitt um die Hälfte eingeschnürt werden kann und die benötigte Anströmfläche doppelt so groß wie die freie Querschnittsfläche ist. Dadurch ergeben sich vier Schichtebenen.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Adsorber- oder Katalysatoreinheit sind drei übereinander angeordnete ringförmige Schichten 11 angeordnet. Während hier die Fluidzuführung wie auch bei den anderen bisher beschriebenen Beispielen in axialer Richtung erfolgt, wird hier das Fluid, nachdem es die Schichten 11 durchströmt hat, in radialer Richtung über einen Stutzen 12 abgeführt. Zwischen den äußeren Rändern der Schichten 11 und der Wand des Strömungsweges 1 ist ein Ringspalt 13 vorgesehen. Zwischen dem äußeren Rand einer Schicht und dem inneren Rand der nächsttieferen Schicht sind jeweils konische Trennwände 14 vorgesehen. Weitere konische Trennwände 14 sind zwischen dem inneren Rand der obersten Schicht 11 und einem Deckel 15 sowie zwischen dem äußeren Rand der untersten Schicht 11 und einer an der Wand des Strömungsweges 1 befestigten ringförmigen Platte 16 vorgesehen. Auch bei dieser Anordnung ist die Oberfläche der Schichten insgesamt größer als der freie Strömungsquerschnitt.
Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung zur Entfernung von Stickoxiden aus einem Rauchgas als Anwendungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Katalysatoreinheit. Ein Reaktor 17 weist in seinem unteren und seinem oberen Bereich jeweils eine Schüttung 18 aus einem wärmespeichernden Material auf. Zwischen den beiden Wärmespeichermassen ist eine Katalysatoreinheit angeordnet die sich aus 4 stufenförmig übereinander angeordneten Schichten 19 zusammensetzt. Jede der Schichten 19 weist einen Katalysator zur Umwandlung von Stickoxiden auf. Die Schichten 19 liegen horizontal, wobei sich benachbarte Schichten 19 mit etwa 2/3 ihrer Fläche überlappen. Die Summe der Oberflächen der Schichten 19 ist somit doppelt so groß wie der Querschnitt des Reaktors 17. Wie auch bei der in Fig. 5 gezeigten Anordnung wird hier der Querschnitt für das an den Schichten vorbeiströmende Fluid konstant gehalten.
Selbst wenn somit für die Katalysatoreinheit eine größere Oberfläche benötigt wird wie für die Wärmespeichermasse 18 kann der Reaktorquerschnitt entsprechend den Abmessungen der Wärmespeichermasse 18 dimensioniert werden.
Der Reaktor weist an seiner Ober- und seiner Unterseite Zu- bzw. Abführungsleitungen 20,21 auf, welche in eine Vierwege-Schaltarmatur 22 münden, die außerdem einen Anschluß 23 zur Zuführung von Rauchgas sowie einen Anschluß 24 zur Abführung von gereinigtem Rauchgas aufweist.
Das Rauchgas wird über die Leitung 20 in den Reaktor 17 eingeleitet und durchströmt die untere Wärmespeichermasse 18, an der es erwärmt wird. Nach Verlassen der Wärmespeichermasse 18 wird das angewärmte Rauchgas mit über eine Zuleitung 25 zugeführtes Ammoniak vermischt und das Gemisch durch die Katalysatorschichten 19 geleitet. Dabei werden im Rauchgas enthaltene Stickoxide katalytisch umgewandelt. Anschließend wird das gereinigte heiße Rauchgas über die obere Wärmespeichermasse 18 geleitet und daran abgekühlt.
Nach Beendigung dieses Schalttaktes wird die Vierwege-Schaltarmatur 22 umgeschaltet (gestrichelte Darstellung), so daß das Rauchgas dem Reaktor 17 nunmehr über die obere Leitung 21 zugeführt wird. Das Rauchgas wird beim Durchströmen der im vorhergehenden Schalttakt erwärmten oberen Wärmespeichermasse 18 angewärmt und anschließend mit über eine Zuleitung 26 zugeführtem Ammoniak vermischt. Das Gemisch durchströmt die Schichten 19, wobei wiederum im Rauchgas enthaltene Stickoxide umgewandelt werden.
Anschließend wird das gereinigte Rauchgas durch die im vorhergehenden Schalttakt abgekühlte untere Wärmespeichermasse 18 geleitet und dabei abgekühlt. Das abgekühlte Rauchgas wird über Leitung 20 entnommen und dem Anschluß 24 zugeführt. Im Bereich der Zuleitungen 25 und 26 wird neben Ammoniak noch Wärme, beispielsweise in Form eines heißen Trägergases, zugeführt.

Claims

Patentansprüche 1. Adsorber- oder Katalysatoreinheit mit einer in einem Strömungsweg angeordneten Adsorber-oder Katalysatormasse, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse gegen die Vertikale geneigt angeordnet und ihre Oberfläche größer als die Querschnittsfläche des Strömungsweges ist.
2. Adsorber- oder Katalysatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse aus zumindest zwei Schichten zusammengesetzt ist und die Summe der Oberflächen der Schichten größer als die Querschnittsfläche des Strömungsweges ist.
3. Adsorber- oder Katalysatoreinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten in Durchströmungsrichtung betrachtet einander mindestens zum Teil überlappen.
4. Adsorber- oder Katalysatoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten horizontal angeordnet sind.
5. Adsorber- oder Katalysatoreinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Schichten stufenartig versetzt übereinander angeordnet ist.
6. Adsorber- oder Katalysatoreinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Schichten deckungsgleich übereinander angeordnet ist.
7. Adsorber- oder Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten in einem Strömungsweg von kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt symmetrisch zu dessen Längsachse angeordnet sind.
8. Adsorber- oder Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorber- oder Katalysatormasse in einem gemeinsamen Behälter mit einem Wärmetauscher angeordnet sind.
9. Adsorber- oder Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse in Form einer Schüttung oder in Form von Blöcken vorliegt.
10. Verfahren zur adsorptiven oder katalytischen Behandlung eines Fluidstromes mit einer Adsorber- oder Katalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Fluidstrom durch eine mit Adsorber- oder Katalysatormasse gefüllte Behandlungszone geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom mit einer vertikalen Geschwindigkeitskomponente durch die Behandlungszone geleitet und innerhalb der Behandlungszone ein größerer Strömungsquerschnitt des Fluid als außerhalb der Behandlungszone eingestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom in zumindest zwei Teilströme aufgeteilt wird, die getrennt voneinander verschiedenen Teilen der Behandlungszone zugeführt werden und deren Strömungsquerschnitte zumindest teilweise hintereinander liegen.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Behandlungszone ein Rauchgasstrom von Stickoxiden befreit wird.