DE60032166T2

DE60032166T2 - Katalytischer reaktor

Info

Publication number: DE60032166T2
Application number: DE60032166T
Authority: DE
Inventors: Mark Andrew WARD
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2020-09-08
Also published as: US20060062706A1; US6982067B2; DE60032166D1; DK1227878T3; EP1227878A1; EP1704915A1; CA2385067A1; WO2001023080A1; CA2385067C; AU7022800A; US20020102192A1; EP1227878B1; ATE346684T1; US7771677B2; MY130281A; GB9922940D0; ES2277594T3; TWI271217B

Description

Diese Erfindung betrifft einen katalytischen Reaktor.
Zahlreiche katalytische Reaktoren werden unter Verwendung eines festen Betts eines teilchenförmigen Katalysators erstellt, das in einem Reaktor angeordnet ist, der im Allgemeinen einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Das Prozessfluid tritt aus einer Einlassöffnung durch das Festbett und verläßt den Reaktor durch eine Auslassöffnung. Häufig ist das Bett so konfiguriert, dass das Prozessgas in eine Richtung strömt, die im Wesentlichen parallel zur Achse des Reaktors verläuft. Bei dieser Anordnung, die als Axialstrom bezeichnet wird, strömt das Prozessfluid normalerweise nach unten durch das Bett, um die Bewegung der Katalysatorteilchen minimal zu halten. Diese Anordnung weist den Vorteil der Einfachheit auf, der Leichtigkeit des Einfüllens und Entfernens des Katalysators sowie von nur minimalen zusätzlichen Komponenten innerhalb des Reaktors. Somit ist es, solange keine Wärmeaustauscheinrichtungen in dem Bett benötigt werden, im Allgemeinen nur erforderlich, eine fluidpermeablen Katalysatorrückhaltung bereit zu stellen, zum Beispiel ein Gitter oder Sieb geeigneter Größe, um zu verhindern, dass die Katalysatorteilchen, die in dem Prozessfluid mitgerissen werden, durch den Auslass für das Prozessfluid austreten können.
Um zu bewirken, dass das Fluid durch das Bett hindurchströmt, wird zwischen dem Einlass und dem Auslass ein Druckunterschied erzeugt. Der erforderliche Druckunterschied hängt, u.a., von der Dicke des Betts, dem Strömungswiderstand, den das Bettmaterial darstellt, sowie der Durchflussgeschwindigkeit des Fluids ab. Es ist häufig erwünscht, diesen Druckunterschied möglichst klein zu halten und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids zu erhöhen, ohne den erforderlichen Druckunterschied signifikant zu vergrößern.
Zu diesem Zweck wird manchmal eine alternative Konfiguration, der Radialstrom, angewandt. Dabei ist der teilchenförmige Katalysator in einem Ring angeordnet, der von fluidpermeablen Katalysator-Rückhalteeinrichtungen, beispielsweise Körben, definiert wird, die innerhalb des Reaktors angeordnet sind, so dass das Prozessfluid radial von einem Einlassbereich entlang des Umfangs des Reaktorquerschnitts durch das Katalysatorbett in einen zentral angeordneten Auslassbereich strömt. Alternativ dazu kann der Strom in Gegenrichtung fließen, d.h. von einem zentralen Einlassbereich radial nach außen durch das Katalysatorbett zu einer Auslass- oder Sammelzone, die am Umfang des Reaktors angeordnet ist. Bei anderen Ausführungsformen kann eine Kombination von Axial- und Radialstrom zur Anwendung kommen. Während derartige Radialstromanordnungen bezüglich des Druckunterschieds, der erforderlich ist, um einen Fluss des Prozessfluids mit einer gewünschten Geschwindigkeit zu erreichen, Vorteile bieten können, erfordern sie kompliziertere Reaktoreinbauten, und das Einfüllen und/oder die Entfernung des teilchenförmigen Katalysators ist weniger leicht.
WO 99/20384 beschreibt einen Radialstromreaktor mit mehreren Katalysatorbetten, bei dem die Katalysatorbetten Teilchen unterschiedlicher Geometrien aufweisen können.
US 4 033 727 beschreibt einen katalytischen Festbett-Radialstromreaktor mit einem ringartigen Ablenkelement, das am Boden des Reaktors um eine zentrale, mit Öffnungen versehene Produktableitung angeordnet ist, wobei der feste Katalysator den Raum zwischen der Ableitung und dem Ablenkelement teilweise füllt. Über dem Katalysatorträger befindet sich der Katalysator.
Wir haben eine Anordnung geschaffen, bei der ein Radial-, oder ein Axial/Radial-, Strom erhalten werden kann mit den sich daraus sich ergebenden Vorteilen eines verminderten Druckunterschieds, jedoch ohne komplexe Reaktoreinbauten.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung bereit einen katalytischen Reaktor mit Einlass- und Auslassöffnungen und einem Bett eines teilchenförmigen Katalysators, das um einen Zentralbereich angeordnet ist, der mit einer der Öffnungen kommuniziert und einer Strömung einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen, wobei der Zentralbereich innerhalb des Betts eine Höhe aufweist, die wenigstens einem überwiegenden Teil der Höhe des Katalysators gleich ist, und wobei, wenigstens für einen überwiegenden Teil der Höhe des Katalysatorbetts, der kleinste Durchmesser der Außenoberfläche des Katalysatorbetts geringer ist als der Innendurchmesser des Reaktors, so dass ein Raum zwischen der Außenfläche des Katalysatorbetts und den Innenwänden des Reaktors freibleibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen der Außenoberfläche des Katalysatorbetts und den Innenwänden des Reaktors mit einem teilchenförmigen Material gefüllt ist, das einer Strömung einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen.
Das Katalysatorbett weist vorzugsweise eine Außenoberfläche auf, die der Form eines einzigen Zylinders oder Kegelstumpfs angenähert ist, oder einer Stapelanordnung aus zwei oder mehr Zylindern oder Kegelstümpfen mit unterschiedlichen Maximaldurchmessern, oder einer Stapelanordnung aus einem oder mehreren Zylindern und einem oder mehreren Kegelstümpfen. Ein Teil des Katalysatorbetts kann einen Außendurchmesser aufweisen, der dem Innendurchmesser des Reaktors gleich ist, d.h. dass für diesen Teil kein Raum zwischen der Innenwand des Reaktors und der Außenoberfläche des Katalysatorbetts vorhanden ist. Der kleinste Durchmesser der Außenoberfläche des Katalysatorbetts ist jedoch geringer als der Innendurchmesser des Reaktors, so dass für wenigstens einen überwiegenden Teil der Höhe des Betts ein Raum zwischen den Innenwänden des Reaktors und der Außenwand des Katalysatorbetts existiert. Dieser Raum ist mit einem teilchenförmigen Material gefüllt, dass dem Strom des Prozessfluids weniger Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen.
In ähnlicher Weise weist der Zentralbereich innerhalb des Katalysatorbetts vorzugsweise eine Form auf, die einem Kegel, Kegelstumpf oder Zylinder angenähert ist, oder einer Stapelanordnung aus einem Kegel und einem oder mehreren Kegelstümpfen oder Zylindern; oder einer Stapelanordnung aus zwei oder mehr Zylindern oder Kegelstümpfen mit unterschiedlichen Maximaldurchmessern oder einer Stapelanordnung aus einem oder mehreren Zylindern oder einem oder mehreren Kegelstümpfen. Vorzugsweise weist er eine Form auf, die einem einzigen Zylinder oder Kegelstumpf angenähert ist, sowie eine Oberfläche, die größer ist als die des Querschnitts des Reaktors. Die Höhe des Zentralbereichs innerhalb des Katalysatorbetts ist ein überwiegender Teil, vorzugsweise wenigstens 70%, der Höhe des Katalysatorbetts.
Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen illustriert, in denen
1 ein diagrammartiger Schnitt durch einen Reaktor gemäß der Erfindung ist, der für einen Axial/Radial-Strom konfiguriert ist.
2 eine Ansicht ähnlich der von 1 ist, die eine alternative Ausführungsform zeigt.
3 bis 5 diagrammartige Teil-Schnittansichten eines Teils des Reaktors von 1 sind, die die Schrittfolge des Einfüllens des teilchenförmigen Materials in den Reaktor illustriert.
6 eine Ansicht ähnlich der von 1 ist, die eine weitere Ausführungsform zeigt.
In 1 ist ein Reaktor 1 vom zylindrischen Querschnitt mit einer Einlassöffnung 2 an dem oberen Ende des Reaktors und einer Auslassöffnung 3 am unteren Ende gezeigt. Eine perforierte Katalysatorrückhalteeinrichtung 4, beispielsweise ein zylindrischer Drahtgewebekäfig, ist über der Auslassöffnung 3 angeordnet, um einen freien Raum 5 zu umschreiben, der den benötigten Zentralabschnitt innerhalb des Katalysatorbetts bildet, und zwar in Verbindung mit der Auslassöffnung 3. Die Katalysatorrückhalteeinrichtung 4 umgebend ist ein Bett 6 eines teilchenförmigen Katalysators vorhanden, beispielsweise in Form von zylindrischen Pellets. Die Katalysatorpellets weisen typischerweise Maximal- und Minimalabmessungen im Bereich von 1 bis 10 mm auf sowie ein Abmessungsverhältnis (Maximalabmessung/Minimalabmessung) im Bereich von 1 bis 5. Die Größe der Öffnungen in der Katalysatorrückhalteeinrichtung sollte so sein, dass die Katalysatorteilchen nicht hindurchtreten können. Der Raum zwischen den Innenwänden 7 des Reaktors und der Außenoberfläche des Katalysatorbetts bildet einen Bereich 8, der mit einem teilchenförmigen Material gefüllt ist, das dem Strom des Prozessgases weniger Widerstand entgegensetzt als die Teilchen des Katalysatorbetts 6. Typischerweise weist das teilchenförmige Material, das den Bereich 8 füllt, eine größere Teilchengröße auf als die Katalysatorteilchen. Vorzugsweise weisen diese Teilchen Minimalabmessungen auf, die wenigstens das 1,5-fache der Minimalabmessungen der Katalysatorteilchen betragen, sowie vorzugsweise eine Maximalabmessung von nicht mehr als dem 2,5-fache der Maximalabmessung der Katalysatorteilchen. Diese größeren Teilchen können eine zylindrische Konfiguration aufweisen und können auch eines oder mehrere axial verlaufende Durchgangslöcher aufweisen, um den Widerstand gegenüber der Strömung des Prozessfluids durch den Bereich 8 zu vermindern. Die Teilchen des Bereichs 8 können sich auch über die Oberseite 9 des Katalysatorbetts er strecken.
Bei der Verwendung wird das Prozessfluid der Einlassöffnung 2 zugeführt und strömt axial nach unten durch den Bereich 8 und dann durch das Katalysatorbett 6 in den freien Raum 5 und daran anschließend zur Auslassöffnung 3. Da der Bereich 8 dem Durchfluss einen geringeren Widerstand entgegensetzt als das Katalysatorbett 6 strömt das Prozessfluid nach unten durch den Abschnitt 8 und dann im Allgemeinen radial durch das Katalysatorbett 6 in den freien Raum 5. Ferner strömt das Prozessfluid axial nach unten durch den Teil des Katalysatorbetts 6 über der Oberseite der Katalysatorrückhalteeinrichtung 4. Wenn die Oberseite der Katalysatorrückhalteeinrichtung 4 fest ausgeführt ist, kann die Schicht Katalysatorbett über der Oberseite der Katalysatorrückhalteeinrichtung 4 weggelassen werden, so dass der Strom des Prozessfluids durch das Katalysatorbett 6 im Wesentlichen radial verläuft. Alternativ dazu, ganz gleich, ob die Oberseite der Katalysatorrückhalteeinrichtung fest ist oder nicht, kann oben auf dem Katalysatorbett eine Scheibe oder Platte angeordnet werden, um das Fließmuster durch den oberen Teil des Katalysatorbetts zu modifizieren.
Bei der Ausführungsform von 2 ist die Katalysatorrückhalteeinrichtung 4 in Form eines Kegelstumpfes ausgeführt, und das Katalysatorbett weist in ähnlicher Weise eine im Allgemeinen kegelstumpfförmige Konfiguration auf. Diese Anordnung ist bevorzugt, damit eine gleichförmigere Stromverteilung des Prozessfluids durch das Katalysatorbett 6 erfolgt. Es ist bevorzugt, dass die Katalysatorrückhalteeinrichtung 4 so konfiguriert ist, dass der Widerstand gegenüber der Strömung des Prozessfluids durch das Katalysatorbett im Wesentlichen gleichmäßig ist.
In den 3 bis 5 ist ein Verfahren zum Einfüllen der teilchenförmigen Materialien in den Reaktor illustriert. Somit wird, wie in 3 gezeigt ist, ein Ring 10 auf der unteren Wand 11 des Reaktors an einer Stelle angeordnet, an der gewünscht wird, dass die Verbindung zwischen dem Bett 6 und dem Bereich 8 entstehen soll, und dann werden die Katalysatorteilchen in den ringförmigen Bereich gegeben, der von der Katalysatorrückhalteeinrichtung 4 und dem Ring 10 eingeschlossen wird. Wie in 4 gezeigt wird, wird dann der ringförmige Bereich zwischen dem Ring 10 und der Wand 7 des Reaktors mit den Teilchen gefüllt, die für den Bereich 8 benötigt werden. Wie in 5 gezeigt ist, wird der Ring 10 dann angehoben und neu auf der Oberseite der vorher eingefüllten Teilchen angeordnet, und die Prozedur wird wiederholt. Es versteht sich, dass es dann, wenn der Ring 10 nach oben aus dem Bereich zwischen den Teilchen des Betts 6 und des Bereichs 8 angehoben wird, zu einem gewissen Absetzen der Teilchen kommt, so dass der Raum, der von dem Ring eingenommen wurde, gefüllt wird. Diese Prozedur wird wiederholt, bis der Reaktor bis zum gewünschten Niveau gefüllt ist.
Der Katalysator wird üblicherweise durch eine Zugangsöffnung (nicht gezeigt) in der oberen Wand des Reaktors eingefüllt. Damit der Ring 10 in den Reaktor eingesetzt werden kann, ist er vorzugsweise aus Sektionen hergestellt, die durch die Zugangsöffnung eingeführt werden können, und er wird innerhalb des Reaktors zusammengebaut, und/oder er ist hergestellt aus einem biegsamen Material, zum Beispiel einem Streifen eines geeigneten Materials, beispielsweise einem Kunststoffmaterial, dessen Enden aneinander befestigt werden, um den kreisförmigen Ring zu bilden. Wenn eine kegelstumpfartige Konfiguration, wie sie beispielsweise in 2 gezeigt ist, gewünscht wird, indem man einen Ring verwendet, der durch Verbinden der Enden eines Streifens aus einem flexiblen Material gebildet wird, kann der Außendurchmesser der aufeinanderfolgenden Schichten, die den Katalysatorbereich 6 bilden, vermindert werden, indem man die Position der Befestigung der Enden des Streifens verändert. Wenn ähnlicherweise ein Axialstromreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung umgestellt wird, ist es erwünscht, das die Katalysatorrückhalteeinrichtung 4 ebenfalls eine einer derartigen Größe ist, und/oder aus Abschnitten konstruiert ist, die durch die Zugangsöffnung in den Reaktor eingeführt werden können.
Es versteht sich, dass gemäß einer alternativen Ausführungsform die Katalysatorrückhalteeinrichtung, zum Beispiel der Drahtgitterkäfig 4, weggelassen werden kann, und dass der zentrale freie Raum 5 mit einem teilchenförmigen Material mit einem geringen Durchflusswiderstand gefüllt werden kann, wie z.B. dem, das für den Bereich 8 verwendet wird. In diesem Fall wird ein Rückhaltegitter über der Auslassöffnung 3 benötigt. Die Teilchen, die den Zentralbereich füllen, können in einer Weise analog derjenigen eingefüllt werden, die oben für das Material für Bett 6 und Bereich 8 beschrieben wird.
Bei einem alternativen Verfahren zur Beschickung des Reaktors wird ein flexibles Gitter, das die gewünschte Grenze zwischen Bett 6 und Bereich 8 definiert, durch die Zugangsöffnung eingeführt, und das Bett 6 und der Bereich 8 werden mit den entsprechenden Materialien beschickt, ohne das Gitter zu bewegen. In diesem Falle sollte das Gitter aus einem geeigneten Material bestehen, das die Bedingungen aushält, die während der anschließenden Verwendung des Reaktors herrschen oder aus einem Material, das während einer derartigen Verwendung abgebaut wird, wobei Zersetzungsprodukte gebildet werden, die nicht mit dem Katalysator oder dem Prozessfluid störend wechselwirken. In vielen Fällen kann ein Gitter, das aus einem Kunststoffmaterial wie Polypropylen hergestellt ist, verwendet werden.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Beschickung eines Reaktors mit Einlass- und Auslassöffnungen mit einem Bett aus einem teilchenförmigen Katalysator, das die Bereitstellung eines ersten perforierten Rück halteelements für den Katalysator, um einen Zentralbereich innerhalb des gewünschten Katalysatorbetts zu definieren, der mit einer der genannten Öffnungen kommuniziert, die Anordnung eines zweiten Rückhalteelements für Teilchen zwischen dem genannten ersten Rückhalteelement für den Katalysator und der Innenwand des Reaktors, das Füllen des Raums zwischen dem genannten ersten und dem genannten zweiten Rückhalteelement mit einem teilchenförmigen Katalysator umfasst, gekennzeichnet dadurch, dass man den Raum zwischen dem zweiten Rückhalteelement und der Innenwand des Reaktors mit einem teilchenförmigen Material füllt, das einer Strömung einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen.
Die Teilchen aus dem Bett 6 und dem Bereich 8 können aus dem Reaktor auf bekannte Weise entladen werden, zum Beispiel dadurch, dass man eine Auslassöffnung in der unteren Wand des Reaktors vorsieht und/oder durch Vakuumextraktion durch einen Schlauch, der durch die Zugangsöffnung eingeschoben wird oder durch eine andere Öffnung, die für die Beschickung verwendet wird. Wenn die Teilchen, die für das Bett 6 und den Bereich 8 verwendet werden, von einer ausreichend unterschiedlichen Größe sind, kann der entladene Katalysator gewünschtenfalls gesiebt werden, um die größeren Teilchen aus dem Bereich 8 von den Katalysatorteilchen zu trennen.
Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ist ein Zentralrohr 12 mit der Einlassöffnung 2 verbunden, und der untere Bereich 13 dieses Rohrs ist perforiert und erstreckt sich in das Katalysatorbett 6 hinein und definiert auf diese Weise den Zentralbereich innerhalb des Katalysatorbetts 6. Bei dieser Ausführungsform weist das Katalysatorbett eine Außenoberfläche in Form eines Zylinders 14 auf einem Kegelstumpf 15 auf, der seinen kleinsten Durchmesser an seinem unteren Ende aufweist (d.h. anders als die Ausführungsform von 2, wo der kleinste Durchmesser am oberen Ende zu finden ist). Der zylindrische Abschnitt 14 weist bei dieser Ausführungsform einen Durchmesser auf, der der gleiche ist wie der Innendurchmesser des Reaktors, weist jedoch auch eine Tiefe auf, die nur einem kleineren Teil der Tiefe des Katalysatorbetts 6 entspricht. Der Raum 8 zwischen dem Kegelstumpfabschnitt 15 der Außenoberfläche des Katalysatorbetts 6 und den Innenwänden 7 des Reaktors, und zwischen dem unteren Ende 16 des Katalysatorbetts 6 und der Auslassöffnung 3 ist mit einem teilchenförmigen Material gefüllt, das der Strömung einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen.
Bei der Verwendung wird das Prozessfluid durch die Einlassöffnung 2 zugeführt und strömt nach unten im Rohr 12 und dann durch die darin befindlichen Perforationen auswärts. Das Prozessfluid strömt somit radial nach außen durch das Katalysatorbett in den Raum 8 zwischen der Außenoberfläche des Kegelstumpfabschnitts des Katalysatorbetts und der Innenwand des Reaktors und danach zur Auslassöffnung 3 (die mit einem nicht gezeigten Gitter versehen ist, um zu verhindern, dass das teilchenförmige Material, das den Raum 8 füllt, in die Auslassöffnung 3 gelangt).
Da das Rohr 12 einige Perforationen oberhalb der oberen Oberfläche des Katalysatorbetts 6 aufweist, kann das Prozessfluid auch aus dem Rohr 12 in den Raum oberhalb des Katalysatorbetts 6 und axial nach unten durch den zylindrischen oberen Abschnitt 14 des Katalysatorbetts in den Bereich 8 strömen.
Die benachbarten Betten aus teilchenförmigem Katalysator und teilchenförmigem Material, das den Raum 8 zwischen der Außenoberfläche des Katalysatorbetts und den Innenwänden des Reaktors füllt, können auf eine Weise gebildet werden, die derjenigen analog ist, die oben unter Bezug auf die 3 bis 5 beschrieben wurde, wobei jedoch das untere Ende des Reaktors mit den Teilchen gefüllt wird, die der Strömung einen geringeren Widerstand entgegensetzen, um die Schicht dieses Materials zwischen dem Boden 16 des Katalysatorbetts 6 und der Auslassöffnung 3 zu erstellen, bevor die Rückhalteeinrichtung eingeführt wird, die dazu verwendet wird, die Grenzen zwischen dem Bereich 8 und der konischen Wand des Katalysatorbetts zu bilden.
Es versteht sich, das in einer alternativen Ausführungsform die Teilchen, die dazu verwendet werden, den Bereich 8 (und/oder den Bereich 5, wenn dieser mit teilchenförmigem Material gefüllt ist) zu füllen, selbst ein teilchenförmiger Katalysator sein kann, jedoch von einer Größe oder Konfiguration, die der Strömung einen deutlich geringeren Widerstand entgegensetzt als die Teilchen des Katalysatorbetts 6.
Die Erfindung ist besonders nützlich zur Umstellung eines Reaktors, der vorher im Axialstrommodus betrieben wurde, zu einem Axial/Radial- oder Radialstrom, ohne dass nennenswerte interne Anpassungen des Reaktors durchgeführt werden.
Demgemäß umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Umstellung eines Reaktors mit Einlass- und Auslassöffnungen und einer Zugangsöffnung von einem Axialstrom auf Axial/Radial- oder Radialstrom, das das Einführen einer perforierten Katalysatorrückhalteeinrichtung durch die genannte Zugangsöffnung und die Befestigung der genannten Katalysatorrückhalteinrichtung an einer der Öffnungen, so dass ein umschlossener Raum definiert wird, der sich von der Öffnung über einen Teil der Länge des Katalysators erstreckt, definiert wird, Beschicken des Reaktors mit einem teilchenförmigen Katalysatormaterial, so dass ein Katalysatorbett um die genannte Katalysatorrückhalteeinrichtung aufgebaut wird, mit, wenigstens über einen Hauptteil der Höhe des Betts, einem Bereich zwischen der Außenoberfläche des Betts und den Innenwänden des Katalysators, sowie das Beschicken des genannten Bereichs mit einem teilchenförmigen Material, das der Strömung einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die genannten Katalysatorteilchen.
Die Erfindung kann auf irgendein katalytisches Festbettverfahren angewandt werden, ist jedoch besonders nützlich bei Verfahren, die die adiabatische katalytische Reaktion eines gasförmigen Prozessfluids beinhalten. Beispiele für derartige Reaktionen sind das adiabatische Niedertemperatur-Dampfreformieren, Wassergas-Shift, Methanolsynthese, Methanierung, Ammoniaksynthese und Hydrierreaktionen.
Die Erfindung umfasst daher außerdem ein Verfahren zur Durchleitung eines Prozessfluids durch eine Einlassöffnung eines Reaktors, dann durch eine Reihe von Bereichen innerhalb des Reaktors, und dann durch eine Auslassöffnung des Reaktors, wobei der zweite Bereich ein Festbett aus einem teilchenförmigen Katalysator ist, das rund um einen Zentralbereich angeordnet ist, der einen von einem ersten und dritten Bereich bildet und der Strömung des Prozessfluids einen geringeren Widerstand entgegensetzt als das Katalysatorbett, wobei der Zentralbereich eine Höhe aufweist, die einem überwiegenden Teil der Höhe des Betts gleich ist und wobei, für wenigstens einen überwiegenden Teil der Höhe des Katalysatorbetts, der kleinste Durchmesser der Außenoberfläche des Katalysatorbetts geringer ist als der Innendurchmesser des Reaktors, so dass zwischen der Außenoberfläche des Katalysatorbetts und den Innenwänden des Reaktors ein Raum freibleibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen der Außenoberfläche des Katalysatorbetts und den Innenwänden des Reaktors mit einem teilchenförmigen Material gefüllt ist, das einer Strömung einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen, und den anderen von dem ersten und dritten Bereich bildet.
Als Beispiel wird ein erfindungsgemäßer Reaktor des in 2 gezeigten Typs mit einem herkömmlichen Axialstromgenerator für die Hochtemperatur-Shiftreaktion unter Verwendung eines teilchenförmigen Eisenoxid/Chromoxid-Katalysators verglichen.
Der herkömmliche Axialstromreaktor weist einen Innendurchmesser von 3,7 m auf und das tellerförmige untere Ende, das dem Abschnitt DE in 2 entspricht, weist eine Höhe, d.h. einen Abstand DE, von 0,93 m auf. Ein Katalysator-Rückhaltegitter ist über der Auslassöffnung angeordnet, und das tellerartige untere Ende wird mit inerten Aluminiumoxidkugeln gefüllt, die der Strömung des Prozessgases wenig Widerstand entgegensetzen. Der zylindrische Abstand, der dem Bereich AD des Reaktors entspricht, wird mit 40 m³ zylindrischen Katalysatorpellets mit einem Durchmesser von 8,5 mm und einer Länge von 4,9 mm beschickt. Die Höhe des Katalysatorbetts, d.h. der Abstand AD, beträgt 3,7 m. Eine Schicht aus Aluminiumkugeln wird oben auf das Katalysatorbett in einer Dicke von 150 mm aufgefüllt.
Bei der Verwendung wird eine typische Gasmischung, die 56,5 mol% Wasserstoff, 12,9 mol% Kohlenmonoxid, 7,5 mol% Kohlendioxid, 0,3 mol% Methan und 22,8 mol% Stickstoff enthält, mit einer Durchflussgeschwindigkeit von 150.000 Nm³/h gemeinsam mit 75.000 Nm³/h Dampf bei erhöhtem Druck durch das Katalysatorbett geleitet. Der Druckabfall über das Katalysatorbett beträgt etwa 0,25 bar.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die obige Axialstromkonfiguration unter Verwendung der Anordnung modifiziert, die in 2 gezeigt ist. Das kegelstumpfförmige Gitter 4 weist Seiten auf, die gegen die Horizontale unter einem Winkel von 80° geneigt sind. Die Höhe des Kegelstumpfs oberhalb der Linie D, d.h. der Abstand CD, beträgt 2,8 m, und der Durchmesser des Kegelstumpfs an der Linie D beträgt 1,5 m und an der Linie C 0,52 m. Der Katalysator wird dem Reaktor so zugeführt, dass er den Raum zwischen dem unteren tellerartigen Ende (an Stelle der Verwendung von Aluminiumoxidkugeln) und dann kegelstumpfförmig bis zur Linie B füllt. Der Kegelstumpf weist wiederum Seiten auf, die gegen die Horizontale 80° geneigt sind. Der Abstand BD beträgt 3,7 m. Bei der Linie D beträgt der Außendurchmesser des Kataly satorbetts 3,7 m, d.h. den vollständigen Innendurchmesser des Reaktors. Der Raum außerhalb des Katalysatorbetts ist mit Aluminiumringen mit einem Durchmesser von 17 mm und einer Höhe von 17 mm mit einem Zentralloch von 10 mm Durchmesser gefüllt. Eine Schicht dieser Ringe ist auch auf der Oberseite des Katalysators bis zu einer Dicke, d.h. einem Abstand AB, von 150 mm angeordnet. Das Gesamtvolumen des Katalysators beträgt 33 m³. Um die Volumenabnahme des Katalysators, verglichen mit 40 m³ zu kompensieren, die bei der Axialstromkonfiguration verwendet wurden, wird eine kleinere Katalysatorteilchengröße verwendet. Somit sind die Katalysatorteilchen zylindrische Pellets mit einem Durchmesser von 5,4 mm und einer Länge von 3,6 mm. Aufgrund der höheren geometrischen Oberfläche der Katalysatorpellets pro Einheitsvolumen weisen die kleineren Pellets eine größe Aktivität pro Einheitsvolumen auf. 33 m³ der kleineren Pellets zeigen etwa das gleiche katalytische Verhalten wie 40 m³ der größeren Pellets, die bei der herkömmlichen Axialstromkonfiguration verwendet wurden.
Eine Berechnung zeigt, dass der Druckverlust für die erfindungsgemäße Konfiguration, bei einer Anwendung der gleichen Bedingungen wie bei der herkömmlichen Axialstromkonfiguration, 0,13 bar beträgt.

Claims

Katalytischer Reaktor mit Einlass- und Auslassöffnungen und einem Bett eines teilchenförmigen Katalysators, das um einen Zentralbereich angeordnet ist, der mit einer der Öffnungen kommuniziert und einer Strömung einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen, wobei der Zentralbereich innerhalb des Betts eine Höhe aufweist, die wenigstens einem überwiegenden Teil der Höhe des Katalysatorbetts gleich ist, und wobei, wenigstens für einen überwiegenden Teil der Höhe des Katalysatorbetts, der kleinste Durchmesser der Außenoberfläche des Katalysatorbetts geringer ist als der Innendurchmesser des Reaktors, so dass ein Raum zwischen der Außenoberfläche des Katalysatorbetts und den Innenwänden des Reaktors freibleibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen der Außenoberfläche des Katalysatorbetts und der Innenwand des Reaktors mit einem teilchenförmigen Material gefüllt ist, das einer Strömung einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 1, wobei die Außenoberfläche des Katalysatorbetts etwa die Form eines Zylinders mit einem Durchmesser aufweist, der gleich ist dem Innendurchmesser des Reaktors, der auf die Oberseite eines konischen Kegelstumpfs aufgesetzt ist.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Zentralbereich innerhalb des Katalysatorbetts eine Oberfläche aufweist, die größer ist als der Querschnitt des Reaktors.
Katalytischer Reaktor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Teilchen des Materials, das der Strö mung des Prozessfluids einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen, eine kleinste Abmessung aufweisen, die wenigstens das 1,5-fache der kleinsten Abmessung der Katalysatorteilchen beträgt.
Katalytischer Reaktor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Teilchen des Materials, das der Strömung des Prozessfluids einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen, von zylindrischer Form sind.
Katalytischer Reaktor nach Anspruch 5, wobei die Teilchen des Materials, das der Strömung des Prozessfluids einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen, eine oder mehrere axial verlaufende Durchgangslöcher aufweisen.
Verfahren zur Beschickung eines Reaktors mit Einlass- und Auslassöffnungen mit einem Bett aus einem teilchenförmigen Katalysator, das die Bereitstellung eines ersten perforierten Rückhalteelements für den Katalysator, um einen Zentralbereich innerhalb des gewünschten Katalysatorbetts zu definieren, der mit einer der genannten Öffnungen kommuniziert, die Anordnung eines zweiten Rückhalteelements für Teilchen zwischen dem genannten ersten Rückhalteelement für den Katalysator und der Innenwand des Reaktors, das Füllen des Raums zwischen dem genannten ersten und dem genannten zweiten Rückhalteelement mit einem teilförmigen Katalysator umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass man den Raum zwischen dem zweiten Rückhalteelement und der Innenwand des Reaktors mit einem teilchenförmigen Material füllt, das einer Strömung einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das zweite Rückhalte element für die Teilchen während oder nach dem Einfüllen der teilchenförmigen Materialien entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei das zweite Rückhalteelement einen Ring umfasst, der, während die Teilchen eingefüllt werden, zwischen den Katalysatorteilchen und den Teilchen des Materials, das der Strömung einen geringeren Widerstand entgegensetzt, fortschreitend bewegt wird.
Verfahren zur Durchleitung eines Prozessfluids durch eine Einlassöffnung eines Reaktors, dann durch eine Reihe von Bereichen innerhalb des Reaktors, und dann durch eine Auslassöffnung des Reaktors, wobei der zweite Bereich ein Festbett aus einem teilchenförmigen Katalysator ist, das rund um einen Zentralbereich angeordnet ist, der einen von einem ersten und dritten Bereich bildet und der Strömung des Prozessfluids einen geringeren Widerstand entgegensetzt als das Katalysatorbett, wobei der Zentralbereich eine Höhe aufweist, die einem überwiegenden Teil der Höhe des Betts gleich ist und wobei, für wenigstens einen überwiegenden Teil der Höhe des Katalysatorbetts, der kleinste Durchmesser der Außenoberfläche des Katalysatorbetts geringer ist als der Innendurchmesser des Reaktors, so dass zwischen der Außenoberfläche des Katalysatorbetts und den Innenwänden des Reaktors ein Raum freibleibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen der Außenoberfläche des Katalysatorbetts und den Innenwänden des Reaktors mit einem teilchenförmigen Material gefüllt ist, das einer Strömung einen geringeren Widerstand entgegensetzt als die Katalysatorteilchen, und den anderen von dem ersten und dritten Bereich bildet.