DE3817303C2 - - Google Patents
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- C01C1/04—Preparation of ammonia by synthesis in the gas phase
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- C01C1/0417—Preparation of ammonia by synthesis in the gas phase from N2 and H2 in presence of a catalyst characterised by the synthesis reactor, e.g. arrangement of catalyst beds and heat exchangers in the reactor
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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.
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