DE3817303C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine modular aufgebaute Einrichtung zur Verteilung eines Gasflusses in einem Reaktionsgefäß, insbesondere für die Ammoniaksynthese der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

In bekannten Reaktoren ist das Granulatbett oder jedes Granulatbett, durch welches ein Gas fließen soll, zumindest auf einer Seite von Lochplatten oder Gittern umschlossen, durch welche das Gas fließen kann. Das Gitter kann sowohl an der Einlaß- als auch Auslaßseite des Bettes angeordnet sein oder an der Unterseite des Bettes, wobei die obere Seite offen gelassen wird. Im ersten Fall tritt typischer­ weise ein horizontaler Fluß auf, wogegen im zweiten Fall ein vertikaler Fluß stattfindet. In sämtlichen Fällen muß das Gitter dem durch das Gewicht des Granulats ausge­ übten Druck standhalten können.

Bei bekannten Reaktoren ist der Gaseinlaß so angeordnet, daß das Gas mit einem gleichmäßigen Druckpegel um die Einlaßseite herum verteilt wird, und es iat angestrebt sicherzustellen, daß der Strömungswiderstand unabhängig vom Strömungspfad derselbe ist. Ein häufig benützter Weg, um gleichförmige Flußpfade zu erhalten, besteht in einer rotationssymetrischen Anordnung des Betts bezüglich einer Achse, verbunden mit einem radialen Fluß durch das ringförmige Bett für das Granulat, welches in dem Zwischenraum zwischen den Gittern angeordnet ist, die als zwei zylindrische Schalen ausgebildet sind, von denen die äußere den Einlaß und die innere den Auslaß des Bettes bildet. Um die Vergleichmäßigung des Flusses weiter zu verbessern, kann eine Schale mit mehreren Düsen auf der Außenseite des Gitters an der Einlaßseite vorgesehen sein, so daß das Gas durch die Düsen treten muß, bevor es durch das Gitter in das Granulat gelangt.

In bestimmten Fällen ist der Zugang zum Bett so innerhalb der Behälterwand beschränkt, daß die Konstruktion konzen­ trischer Schalen innerhalb des Behälters unpraktisch ist. Dies ist besonders dann der Fall, wenn der Durchmesser der Öffnung, durch welche die Gitter und die Schale mit den Düsen gelangen müssen, um als Granulatbett zusammenge­ baut zu werden, kleiner ist als der Durchmesser insbesondere des äußeren Gitters und der Schale mit den Düsen.

Aus der US 26 34 194 ist eine modular aufgebaute Einrichtung zur Verteilung eines Gasflusses in einem Reaktorbehälter bekannt, wie er aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 hervorgeht. Entsprechendes gilt für die US 26 83 654.

Bei beiden bekannten Einrichtungen ist der Katalysator je­ doch in einem volumenmäßig schlecht handhabbaren ring­ förmigen Bett angeordnet, wobei der Katalysator über eine umfänglich um den Katalysator herumgelegte vielfach durch­ löcherte Wandung von dem zu verarbeitenden Gas durchströmt wird. Ein zentrisch durch den Katalysator hindurch gelegtes, gelochtes Rohr nimmt das katalytisch behandelte Gas auf und leitet es aue dem bekannten Reaktor heraus. Nachteilig ist hier auch, daß die Wandung des umfänglich um das Katalysa­ torbett herumgelegten gelochten Mantels relativ dick und starr sein muß, da es den über die Löcher in dem Mantel auftretenden Druckabfall und die damit verbundenen mecha­ nischen Belastungen aufnehmen muß.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modular aufgebaute Einrichtung zur Verteilung eines Gasflusses in einem Reaktionsbehälter vorzuschlagen, der die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist; insbesondere soll eine gattungsgemäße Einrichtung vorgeschlagen werden, die sich leichter warten läßt und zudem einen besonders gleichmäßigen Durchfluß durch den Katalysator zuläßt.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den im Patent­ anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen gehen aus den Merkmalen in den Unteransprüchen hervor.

Die gemäß der Erfindung zu erzielenden Vorteile beruhen u. a. auf der Tatsache, daß die Module als längliche Röhren ausgebildet sind, die durch verhältnismäßig enge Öffnungen gelangen können. Nach der Einführung in den Behälter können sie mit der gasundurchlässigen rückseitigen Stirnfläche entlang der Behälterwand angebracht werden, und mit dem gasdurchlässigen Gitter zur Innenseite des Behälters liegend angeordnet werden, der daraufhin mit Granulat gefüllt wird. Das Blech oder die Platte mit Düsen innerhalb des Rohres stellt sicher, daß sich ein Druckabfall einstellt, kurz bevor das Gas durch das Gitter in das Granulat eintritt, um dafür zu sorgen, daß sich ein gleichförmiger Fluß durch das Gitter auf der vorderen Stirnfläche des Rohres bzw. der Rohre einstellt. Dabei ist der Quer­ schnitt der Module so gewählt, daß mehrere in regelmäßiger Anordnung Seite an Seite angeordnete Elemente eine gas­ undurchlässige rückseitige Stirnfläche ausbilden und eine vordere Stirnfläche, die im wesentlichen durch Gitter und Düsenplatte abgedeckt ist. Mit einer derartigen regel­ mäßigen Anordnung von Elementen können dieselben Fluß­ pfade erhalten werden wie bei Betten, die aus zusammen­ hängenden zylindrischen Schalen gebildet sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Düsenplatte an den beiden Längskanten des Gitters befestigt. Da die Platte, in der die Düsen angeordnet sind, aus einem dünnen Metallblech hergestellt ist, welches mit Löchern versehen ist, deren Durchmesser vorzugsweise größer als das 0,7fache der Blechstärke beträgt, ist es vorteilhaft, die Platte auf dem Gitter abzustützen, wodurch die Platte nicht so steif sein muß, um dem Druck infolge des Druckabfalls über den Düsen ohne Biegung zu widerstehen.

In anderen Fällen kann die Platte mit den Düsen die Form eines Rohrs aufweisen, welches sich durch die Gesamtlänge des Moduls erstreckt, wobei das Rohr auf gasdichte Weise an dem übrigen Modul am offenen Ende des Moduls angebracht ist. Das innere Rohr mit den Düsen kann denselben Querschnitt wie das Modul aufweisen und ist vorzugsweise mit Düsen nur an der Seite versehen, die dem Gitter gegenüberliegt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann vorzugsweise in einem katalytischen Reaktor für die Ammoniak­ synthese verwendet werden. Ein derartiger Reaktor umfaßt eine Druckschale, die mit einem Mannloch und Verbindungs­ teilen für den Einlaß und Auslaß eines Ammoniaksynthese­ gases versehen ist, und zumindest ein Katalysatorbett, das als ringförmiges Bett ausgebildet ist, welches zwischen konzentrischen durchlöcherten Wänden angeordnet ist, die koaxial innerhalb der Druckschale angeordnet und in Axialrichtung durch im wesentlichen gasdichte Wände begrenzt sind. Die gasundurchlässige hintere Wand der modularen Einrichtung, die vom Katalysatorbett weggewandt ist, ist so angeordnet, daß sich diese eng an der undurchlässigen rückwärtigen Stirnfläche, also der Innenwand des Behälters, befindet.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Reaktors, bei welcher die thermische Belastung der Druckschale verringert ist, zeichnet sich dadurch aus, daß innerhalb der Druckschale eine konzentrische gasdichte innere Schale angeordnet ist, um einen engen ringförmigen Zwischenraum zwischen der Druckschale und der inneren Schale bereitzustellen, durch welchen ein Teil des Synthesegases gerichtet wird, um die Druckschale zu kühlen, bevor es in das Ka­ talysatorbett gerichtet wird, und dadurch, daß die modulare Einrichtung so angeordnet ist, daß die rückwärtige Stirnfläche entlang der inneren Schale verläuft.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus welchem weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen und welches einen katalytischen oder chemischen Reaktor mit radialem Fluß durch ein Bett zeigt, das einen granulat­ förmigen Katalysator enthält, und bei welchem der Gaseinlaß zu dem Bett durch die erfindungsgemäße modulare Einrichtung bewerkstelligt wird.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Reaktor;

Fig. 2 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Element; und

Fig. 3 einen Querschnitt durch den in Fig. 1 darge­ stellten Reaktor.

Der in einem Längschnitt in Fig. 1 dargestellte Reaktor umfaßt einen Behälter 1 oder Tank in Form einer Druckschale, der an einem Ende mit einem Mannloch 2 versehen ist, um einen Zugang zur Überprüfung und zum Ersetzen des Katalysators innerhalb des Behälters zu ermöglichen. An dem anderen Ende des Behälters ist ein Verbindungsteil 3 am Einlaß zu einem zentralen Gaskanal 4 angebracht. Der granulatförmige Katalysator wird zwischen eine Einrichtung 5 zur Verteilung eines Gasflusses und ein inneres Auslaßgitter 7 gebracht. Vom Einlaß 3 fließt das Gas entlang der der durch Pfeile angedeuteten Pfade und verläßt den Behälter durch den Verbindungsteil am Auslaß 8. In Fig. 1 ist die modulare Einrichtung 5 in einem Längsschnitt darge­ stellt. Die modulare Einrichtung ist an ihrem oberen Ende in der Figur offen, wogegen das untere Ende geschlossen ist.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Rohrverzweigungs­ modul 5. Das Modul weist eine vordere Stirnfläche mit einem Gitter 9 auf, mit Öffnungen, durch die das Gas fließen kann, allerdings sind die Öffnungen kleiner als die Korngröße des Granulats 6. An den Längskanten des Gitters 9 ist es mit einer Rückwand 10 verbunden, deren Form im allgemeinen der Innenwand des Behälters 1 ent­ spricht. Innerhalb des Rohrverzweigungsmoduls ist ein dünnes Metallblech 11 angeordnet, das mit einer großen Anzahl im wesentlichen gleichmäßig verteilter Löcher versehen ist. Die Lochgröße übersteigt das 0,7fache der Blechstärke. Dieser Wert entspricht der Grenze, an der die Form der Kanten des Loches keinen wesentlichen Einfluß auf den Strömungswiderstand durch die Düse ausübt, die durch das Loch gebildet wird. Um eine große Anzahl nahe aneinander angeordneter Löcher zu verwenden, kann das Blech 11 dünn sein, allerdings kann es in diesem Fall nicht der durch die Druckdifferenz in Folge des Strö­ mungswiderstands durch die Löcher ausgeübten Drucks ohne Verbiegung widerstehen. Es kann in einigen Fällen vor­ teilhaft sein, das Blech 11 eng bei dem Gitter 9 anzuordnen und hierdurch abzustützen.

Fig. 3 zeigt einen teilweisen Schnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Reaktor. Die Module 5 sind so angeordnet, daß ihre rückwärtigen Stirnflächen der Behälterwand 1 gegenüberliegen. Die Module 5 können, wie dargestellt, in beabstandeter regelmäßiger Anordung angeordnet werden, oder möglicherweise eng beieinander, wodurch eine Wand ausgebildet wird, die auf ihrer Rückseite gasdicht ist, und deren vordere Stirnfläche im wesentlichen aus einem Gitter besteht. In der Figur sind ebenfalls der Gaskanal 4 und das innere Gitter 7 angedeutet.

Die modulare Einrichtung 5 und die anderen Teile in dem Reaktor werden in dem Behälter 1 durch das Mannloch 2 angebracht. Nachdem der Deckel des Mannlochs 2 geschlossen ist, kann der Reaktor in Betrieb gesetzt werden. Das Gas fließt durch den Einlaß 3 durch den Kanal 4 zu dem oberhalb des Katalysatorbetts 6 befindlichen Raum, von welchem es nach unten durch die Rohrverzweigungs­ einrichtungen 5 fließt. Infolge des Druckabfalls des Gasflusses durch die Düsen oder Löcher in den Blechen oder Platten 11 wird eine gleichmäßige Flußverteilung zwischen sämtlichen Modulen erhalten, die in einem Kreis entlang der Wand des Behälters 1 angeordnet sind, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Der Druckabfall führt ebenfalls dazu, daß das Gas mit demselben Massenfluß durch sämtliche Löcher in den Blechen oder Platten 11 fließt. Daher wird ein im wesentlichen gleichförmiger Fluß radial durch das Granulat 6 in Richtung auf das Gitter 7 erhalten, der sich durch den engen Zwischenraum zwischen dem Gitter 7 und dem Kanal 4 zum Auslaß 8 fortsetzt, durch welchen das Gas den Reaktor verläßt.

Claims (6)

1. Modular aufgebaute Einrichtung zur Verteilung eines Gasflusses in einem Reaktionsbehälter, insbesondere für die Ammoniaksynthese, in dem ein ringförmiges Bett aus einem granulatförmigen Katalysator oder einem Material, mit wel­ chem das Gas reagieren soll, angeordnet ist, wobei das Bett zwischen konzentrischen durchlöcherten Wänden angebracht ist und entlang der Behälterinnenwand längliche Gasverteilungs­ elemente vorgesehen sind, die an einem Ende geschlossen und am anderen Ende für den Einlaß von Gas offen sind und eine gasundurchlässige hintere Seitenwand, deren Form der der Wände des Behälters entspricht, sowie eine Vorderseite auf­ weist, die aus einem gasdurchlässigen Gitter besteht, wobei die Elemente Seite an Seite einander benachbart angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen Gasverteilungselemente als Rohre (5) ausgebildet sind und innerhalb der Rohre (5) ein Blech oder eine Platte (11) angeordnet ist, das bzw. die mit mehreren Düsen versehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in den Düsen einen größeren Durchmesser als das 0,7fache der Dicke der Platte oder des Blechs (11) aufweisen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (11) mit den Düsen an den Längskanten des Gitters (9) befe­ stigt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (11) mit den Düsen ein inneres Rohr ist, welches sich durch die Gesamtlänge des Rohres (5) erstreckt und mit einer gas­ dichten Verbindung mit dem Rohr (5) an seinem offenen Ende versehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (11) in enger Nachbarschaft zur Innenwand des Rohres (5) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen in dem inneren Rohre (11) in dem Teil des inneren Rohrs (11) angeordnet sind, welches dem Gitter (9) gegenüberliegt.