DE3708957A1 - Reaktor zur katalytischen umsetzung von in einem gasstrom enthaltenem h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)s und so(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts) zu elementarem schwefel - Google Patents
Reaktor zur katalytischen umsetzung von in einem gasstrom enthaltenem h(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)s und so(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts) zu elementarem schwefelInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur katalytischen
Umsetzung von in einem Gasstrom enthaltenem H₂S und SO₂ zu
elementarem Schwefel mit einem Katalysatorbett.
Bei der Umsetzung von H₂S und SO₂ zu elementarem Schwefel
handelt es sich um eine exotherme Reaktion, d.h. je mehr
Wärme abgeführt wird, desto weiter liegt das
Reaktionsgleichgewicht auf Seiten der Schwefelbildung.
Bisher war es beispielsweise üblich, diese katalytische
Reaktion in einer Serie von quasi adiabaten Reaktoren mit
Zwischenkühlung durchzuführen.
Um besonders hohe Schwefelausbeuten zu erzielen (bis über
99%), muß man entsprechend weit runterkühlen. Kühlt man
dabei bis unter den Schwefeltaupunkt bzw. Schwefelfestpunkt,
so setzt sich der Katalysator mit flüssigem bzw. festem
Schwefel zu.
Der abgeschiedene flüssige bzw. feste Schwefel inaktiviert
den Katalysator und muß deshalb wieder entfernt werden.
Das geschieht dadurch, daß das Katalysatorbett angeheizt
wird und der Schwefel somit wieder verdampft. Die
Aufheizung wird beispielsweise erreicht durch Erwärmen des
Gasstromes vor Eintritt in den Reaktor in einem
Gas-Gas-Wärmetauscher. Der dampfförmige Schwefel wird in
einem nachfolgenden Kondensator abgeschieden.
Um einen wie vorstehend beschriebenen Prozeß kontinuierlich
fahren zu können, sind mindestens zwei parallel geschaltete
Reaktoren mit Katalysatorbetten erforderlich, von denen
jeweils einer unterhalb des Schwefeltaupunktes bzw.
unterhalb des Schwefelfestpunktes betrieben wird, der andere
sich in der Regenerierphase befindet.
Bei der Abkühlung unter den Festpunkt setzen sich die quasi
adiabaten katalytischen Reaktoren von außen nach innen zu,
so daß in dem im Innern verbleibenden freien Querschnitt
nahezu keine Reaktion mehr stattfindet, da die Verweilzeit
des Gases zu gering wird. Denn bei gleichem Durchsatz und
sich verengender Querschnittsfläche erhöht sich die
Gasgeschwindigkeit erheblich.
Somit ist es bisher nicht möglich, mit diesen Reaktoren
einen kontinuierlichen und gleichzeitig rentablen Betrieb
aufrecht zu erhalten. In diesem Zusammenhang ist es außerdem
von Nachteil, daß der feste Schwefel ein sehr gutes Dämm-
bzw. Isoliermaterial ist, so daß die Wärmeabfuhr drastisch
verschlechtert ist, was zusätzlich die exotherme Umsetzung
von H₂S und SO₂ zu Elementarschwefel negativ beeinflußt.
Weiterhin nachteilig ist, daß kein gleichmäßiges Kühlen oder
Anwärmen der Katalysatorschüttung in adiabaten Reaktoren
möglich ist. Auch ist die Gleichmäßigkeit der Durchströmung
nicht optimal und somit der Druckabfall über der Schüttung
unerwünscht hoch.
Überdies sind in der Regel mehr als zwei Reaktoren
notwendig, da bei Verwendung von weniger und größeren
Reaktoren eine ausreichende Wärmeabfuhr auf wirtschaftliche
Weise nicht mehr gewährleistet ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Reaktor der
eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Umsetzung
von H₂S und SO₂ zu Elementarschwefel auch bei
Unterschreitung des Schwefelfestpunktes großtechnisch und
kostengünstig durchgeführt werden kann, daß der apparative
Aufwand und damit die Investitionskosten sowie die
Betriebskosten verringert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Reaktor zumindest teilweise innen gekühlt bzw. beheizt
ausgebildet und in dem Katalysatorbett in zumindest einem
Teilbereich mindestens eine Kühl/Heizschlange angeordnet ist.
Grundgedanke der Erfindung ist, daß zur Regenerierung des
durch absorbierten Schwefel desaktivierten Katalysators eine
möglichst gleichmäßige Anwärmung des Katalysatorbettes
gewährleistet sein soll. Im Gegenzug soll eine optimale
Wärmeabfuhr bei der katalytischen Umsetzung zur Begünstigung
der exothermen Reaktion stattfinden. Beides wird durch die
Direktbeheizung bzw. Kühlung des Katalysatorbettes möglich.
Überdies ist es nicht mehr notwendig, mehrere Reaktoren zu
verwenden, da die direkte Beheizung bzw. Kühlung des
Katalysatorbettes eine kostengünstige Dimensionierung des
Reaktors für nahezu jeden gewünschten Gasdurchsatz zuläßt.
Folglich können die Investitionskosten gesenkt werden, und
der Betrieb wird einfacher.
Mit Vorteil wird das Katalysatorbett in eine quasi
adiabatische Zone ohne Kühlwirkung und eine quasi isotherme
Zone mit Kühlwirkung unterteilt. Dies ermöglicht die
Durchführung der häufig erforderlichen Hydrolyse von COS/CS₂
zu H₂S in der quasi adiabaten Vorschicht, so daß kein
weiterer Reaktor hierfür benötigt wird. Außerdem wirkt die
quasi adiabate Vorschicht gleichzeitig als eine Art
Tiefenfilter, d.h. eventuelle Verunreinigungen des
Gasstromes mit Feststoffpartikeln, wie beispielsweise Staub
aus einer vorangegangenen Verbrennung, werden in dieser
Schicht abgeschieden.
Besonders günstig ist es, den Reaktor nach Art eines
gewickelten Rohrbündelwärmetauschers ohne Wicklungskernrohr
auszubilden, wobei die gewickelten Rohre als
Kühl/Heizschlangen für das Kühl/Heizmedium dienen, und der
verbleibende Zwischenraum mit Katalysatormasse ausgefüllt
ist. Als einfaches und billiges Kühl- bzw. Heizmedium bieten
sich Kesselspeisewasser bzw. Hochdruckdampf an.
Durch die gleichmäßig über der Höhe verteilten
Kühl/Heizschlangen verringert sich die mechanische
Beanspruchung des Katalysators beim Einfüllen, da die
Fallhöhe geringer ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kühl/Heizschlangen
einer Ebene spiral- oder schlangenförmig angeordnet sind.
Dabei bietet die spiralförmige Verlegung Kühl/Heizschlangen
die Möglichkeit, das Kühl/Heizmedium in die äußerste
Schlange oder in die innerste Schlange aufzugeben, womit man
je nach Betriebszustand des Reaktors - beispielsweise
Verlegung des Reaktors, ausgehend von der Reaktoraußenseite
- optimal aufheizen bzw. abkühlen kann.
Ferner ist es aufgrund vorstehend genannter
Kühl/Heizschlangenanordnung möglich, je nach Bedarf ohne
großen Aufwand an Regelungstechnik nur einzelne Schichten
des Katalysatorbettes zu kühlen bzw. zu beheizen.
Überraschenderweise hat sich außerdem gezeigt, daß die
Kühl/Heizschlangen, die spiral- bzw. schlangenförmig verlegt
sind, als eine Art Träger für den Katalysator dienen.
Dadurch wird dieser durch die wechselnden Temperaturen im
Reaktor während des Anfahrens und des Normalbetriebes
wesentlich weniger beansprucht sowohl thermisch als auch
mechanisch. Auf diese Weise ist eine erheblich verlängerte
Lebensdauer des Katalysators erreichbar, was günstig für die
Betriebskosten ist und verringerte Stillstandszeiten der
Anlage zur Folge hat.
In einer weiteren äußerst vorteilhaften Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Reaktors ist es vorgesehen, das
Katalysatorbett in mindestens zwei Teilbetten zu
unterteilen, die jeweils zwischen zwei gasdurchlässigen
Wänden angeordnet sind, wobei auf den gasdurchlässigen
Wänden zumindest teilweise Kühl/Heizschlangen installiert
sind. Zweckmäßigerweise sind dabei die gasdurchlässigen
Wände als Lochbleche oder Metallgitter ausgebildet.
Um möglichst günstige, d.h. druckverlustarme,
Strömungsverhältnisse im Reaktor zu erhalten, ist es
besonders günstig, wenn die Teilbetten parallel zueinander,
gleichmäßig verteilt über den Reaktorquerschnitt angeordnet
sind.
Je nach Zusammensetzung des Gasstromes ist es von Vorteil,
wenn die Teilbetten unterschiedliche Katalysatoren enthalten.
So zum Beispiel Katalysatoren für die COS/CS₂-Hydrolyse und
die Direktoxidation von H₂S zu SO₂ und/oder S oder die
Claus-Reaktion.
Für eine weitere günstige Beeinflussung der
Strömungsverhältnisse ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß
die parallelen Teilbetten über ein sämtliche Teilbetten
abdeckendes gasundurchlässiges Blech an ihren Stirnseiten
miteinander zu einer Einheit verbunden sind und daß auf der
einen Stirnseite die Gaszuleitung bis in dieses Blech
hineingeführt ist.
Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors
sieht vor, daß zwischen den einzelnen Teilbetten Leitbleche
installiert sind.
Mit Vorteil ist außerdem ein Teil des Katalysatorbettes als
eine adiabatische, für die Hydrolyse von COS und/oder CS₂ zu
H₂S aktive Katalysatorschicht ausgebildet.
Für eine möglichst von der Gaszusammensetzung unabhängige
Umsetzung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß das
Katalysatorbett für die katalytische Oxidation von H₂S zu
SO₂ und/oder Elementarschwefel aktiv ist.
Im Falle sehr großer Gasdurchsetzung und damit entsprechend
großer Reaktoren kann es zweckmäßig sein, liegende Reaktoren
einzusetzen. Dadurch kann man das zu reinigende Gas an
mehreren Stellen gleichzeitig aufgeben, was eine gute
Gasverteilung bewirkt und außerdem hat man eine sehr viel
geringere Schüttungshöhe. Beides zusammen wirkt sich günstig
auf den Druckverlust aus.
Ingesamt bietet der erfindungsgemäße Reaktor mitsamt seinen
Ausgestaltungen den Vorteil, daß er einen niedrigen
Druckverlust, einen guten Wärmeübergang sowie eine gute
Gasverteilung aufweist. Durch die Aufteilung des
Katalysatorbettes in mehrere Teilbetten erhält man darüber
hinaus quasi eine beliebige Schütthöhe bei gleichzeitigem
minimalen Druckverlust.
Weiterhin zeichnet sich der erfindungsgemäße Reaktor durch
eine gute Regelbarkeit aus, womit sich Inbetrieb - sowie
Außerbetriebnahme vereinfachen und die Betriebssicherheit
sich erhöht. Insbesondere ist beim erfindungsgemäßen Reaktor
die Einstellung eines optimalen Temperaturprofils speziell
für die Aufheizung des Katalysators bei der Regenerierung im
Schwefeltaupunkt- bzw. Schwefelfestpunktbetrieb möglich.
Der erfindungsgemäße Reaktor ist überall da einsetzbar, wo
H₂S und SO₂ katalytisch zu Elementarschwefel umgesetzt
werden sollen, insbesondere aber bei Anlagen die unterhalb
des Schwefeltaupunktes bzw. des Schwefelfestpunktes arbeiten.
Nachfolgend sei die Erfindung anhand der in den Figuren
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Reaktor mit einem
Katalysatorbett,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Reaktor mit einem in
mehrere Teilbetten aufgeteilten Katalysatorbett,
Fig. 3 und 4 erfindungsgemäße Anordnung der Kühl/Heizschlangen.
Gemäß Fig. 1 wird durch einen Rohrstutzen 1 das zu
reinigende Gas, welches beispielsweise aus einer
Claus-Anlage stammt, in den Reaktor 2 geleitet, wo aufgrund
der Strömungsverhältnisse eine Aufteilung des Gasstromes
stattfindet. Somit tritt der Gasstrom dann durch einen Rost
3, welcher in der Mitte als gasundurchlässige runde Platte
mit einem Durchmesser in einer Größenordnung von mehr als
600 mm ausgebildet ist, in ein Katalysatorbett ein. Das
Katalysatorbett 4 dient dabei als quasi adiabate Vorschicht,
in der die Hydrolyse von eventuell vorhandenem COS bzw. CS₂
zu H₂S stattfindet.
Über einen weiteren Rost 5 gelangt das Gas in ein
Katalysatorbett 6, das mittels Kühl/Heizschlangen 7 innen
beheiz- bzw. kühlbar ist.
Die gesamte Katalysatorschüttung wird von einem Rost 9
getragen. Durch diesen hindurchtretend und sich vermischend
und über einen Rohrstutzen 10 wird das gereinigte Gas aus
dem Reaktor entfernt.
Angeschweißt an die gasundurchlässige Platte in Rost 3
verläuft ein Rohr 8 über der gesamten Höhe der Schüttung, so
daß auch die Roste 5 und 9 mit dem Rohr 8 verbunden sind.
Gemäß Fig. 2 tritt ein zu reinigender Gasstrom über einen
Rohrstutzen 1 in den Reaktor 2 ein. Dabei wird das Gas über
ein Rohr 3, welches mit einer gasundurchlässigen Platte 4
verbunden ist, zentrisch zwischen mehreren
Katalysatorteilbetten 5, 6 aufgegeben.
In diesem Fall ist das Katalysatorteilbett 5 quasi adiabat
und das Katalysatorteilbett 6 quasi isotherm ausgebildet.
Zur Beheizung bzw. Kühlung des Katalysatorteilbettes 6
dienen die Kühl/Heizschlangen 7.
Das Gas strömt von innen nach außen zuerst durch das
Katalysatorteilbett 5, dann durch das Katalysatorteilbett 6
und weiter sich vermischend zum unteren Ende des Reaktors,
wo es über Rohrstutzen 8 abgezogen wird.
Fig. 3 und 4 zeigen erfindungsgemäße Anordnungen der
Kühl/Heizschlangen einer Ebene. Die Bezugszeichen haben in
beiden Figuren dieselbe Bedeutung.
Mit dem Reaktormantel 1 ist ein Stützkreuz 2, welches die
Kühl/Heizschlangen 3 einer Ebene trägt, verbunden.
Claims (13)
1. Reaktor zur katylytischen Umsetzung von in einem
Gasstrom enthaltenem H₂S und SO₂ zu elementarem Schwefel
mit einem Katalysatorbett, dadurch gekennzeichnet, daß
der Reaktor zumindest teilweise innen gekühlt bzw.
beheizt ausgebildet und in dem Katalysatorbett in
zumindest einem Teilbereich mindestens eine
Kühl/Heizschlange angeordnet ist.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Katalysatorbett in eine quasi adiabatische Zone ohne
Kühlwirkung und eine quasi isotherme Zone mit
Kühlwirkung unterteilt ist.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Reaktor nach Art eines gewickelten
Rohrbündelwärmetauschers ohne Wicklungskernrohr
ausgebildet ist, wobei die gewickelten Rohre als Kühl/
Heizschlangen für das Kühl/Heizmedium dienen und der
verbleibende Zwischenraum mit Katalysatormasse
ausgefüllt ist.
4. Reaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühl/Heizschlangen einer Ebene spiralförmig
angeordnet sind.
5. Reaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühl/Heizschlangen einer Ebene schlangenförmig
angeordnet sind.
6. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Katalysatorbett in mindestens zwei Teilbetten
unterteilt ist, die jeweils zwischen zwei
gasdurchlässigen Wänden angeordnet sind, wobei auf den
gasdurchlässigen Wänden zumindest teilweise Kühl/Heiz
schlangen installiert sind.
7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
gasdurchlässigen Wände als Lochbleche oder Metallgitter
ausgebildet sind.
8. Reaktor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilbetten parallel zueinander, gleichmäßig
verteilt über den Reaktorquerschnitt angeordnet sind.
9. Reaktor nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilbetten unterschiedliche Katalysatoren
enthalten.
10. Reaktor nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die parallelen Teilbetten über ein sämtliche
Teilbetten abdeckendes gasundurchlässiges Blech an ihren
Stirnseiten miteinander zu einer Einheit verbunden sind
und daß auf der einen Stirnseite die Gaszuleitung bis in
dieses Blech hineingeführt ist.
11. Reaktor nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den einzelnen Teilbetten Leitbleche
installiert sind.
12. Reaktor nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Teil des Katalysatorbettes als eine
adiabatische, für die Hydrolyse von COS und/oder CS₂ zu
H₂S aktive Katalysatorschicht ausgebildet ist.
13. Reaktor nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß das Katalysatorbett für die katalytische Oxidation
von H₂S zu SO₂ und/oder Elementarschwefel aktiv ist.
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3708957A1 true DE3708957A1 (de) | 1988-10-06 |
DE3708957C2 DE3708957C2 (de) | 1996-04-25 |
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ID=6323469
Family Applications (1)
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DE19873708957 Expired - Fee Related DE3708957C2 (de) | 1987-03-19 | 1987-03-19 | Reaktor zur katalytischen Umsetzung von in einem Gasstrom enthaltenem H¶2¶S und SO¶2¶ zu elementarem Schwefel |
Country Status (1)
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