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Verfahren zur Einführung eines grossen Gasvolumens bei kontrollierter
Geschwindigkeit in einen abgegrenzten Raum und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
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gehalten wird.
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entspricht, in welcher Ua. die maximale Fliessgeschwindigkeit bei der Achse des Stromes an jedem beliebigen Punkt der Achse in m/min, Uo die durchschnittliche Austrittsgeschwindigkeit des Stromes aus der
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Öffnung in m/min, x die axiale Entfernung von der Austrittsöffnung zu jenem Punkt der Achse in cm und x/Do den Durchmesser der Öffnung in cm bedeutet.
Gemäss obiger Formel, deren Richtigkeit durch Versuchsergebnisse bewiesen wurde, entspricht das Verhältnis des annähernden Abfalles der maximalen Geschwindigkeit (in der Strömungsachse) folgenden Werten :
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<tb>
<tb> x/Do <SEP> Ua/Uo
<tb> 8 <SEP> 0, <SEP> 84 <SEP>
<tb> 12 <SEP> 0,59
<tb> 16 <SEP> 0, <SEP> 42 <SEP>
<tb> 20 <SEP> 0, <SEP> 33 <SEP>
<tb> 24 <SEP> 0, <SEP> 28
<tb>
Wie ersichtlich, hat der Gasstrom beim Fluss von der Austrittsöffnung gegen die Reflexionsfläche eines Kessels mit dem Durchmesser von etwa 3, 3 bis 3, 7m den vollentwickelten Strömungsbereich (c) etwa erreicht oder ist in diesen eingetreten, so dass seine maximale Geschwindigkeit um mindestens 10-15% vermindert wurde.
Beim Strömen von dieser Fläche zum Bett verliert der Strom, zusätzlich zu einigem Geschwindigkeitsverlust durch den Prallwinkel, Geschwindigkeit im charakteristischem Verhältnis für den entwickelten Strömungsbereich, indem er einer freien Bahn folgt und sich mit den Dämpfen der umgebenden Atmosphäre an jeder Stelle des Umkreises des Stromes vereinigt und vermischt.
Durch beiliegende Zeichnung, in welcher Fig. 1 eine Schnittansicht eines kugelförmigen Reaktionskessels mit einem erfindungsgemässen Verteilerrohr, Fig. 2 ein Verteilerrohr im Grundriss nach der Linie li-li der Fig. l, Fig. 3 einen vergrösserten Abschnitt des in Fig. 2 dargestellten Verteilerteiles im Grundriss, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3, Fig. 5 eine abgeänderte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Verteilerrohres im Grundriss und Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5 darstellt, wird die erfindungsgemässe Vorrichtung beispielsweise und ohne Beschränkung hierauf näher erläutert.
Der kugelförmige Reaktorkessel 11 gemäss Fig. 1 hat einen Innendurchmesser von etwa 3, 2 m. Im Kesselinneren ist im Abstand vom Bodenbereich eine Gitterauflage 12 horizontal angeordnet, auf welcher eine 10, 16 cm dicke Schicht von Tonerdekugeln 14, die einen Durchmesser von 18, 65 mm haben, liegt.
Diese Schicht trägt eine Lage von Reformierkatalysatorteilchen 14 aus Platin-Tonerde mit einem Durchmesser von 9, 52 mm, die ein festes Bett 15 von einer Tiefe von etwa 1, 6 m bilden. Die Katalysatorschicht wird von einer weiteren 10, 16 cm starken Schicht 16, bestehend aus Tonerdekugeln von einem Durchmesser von 9, 52 mm, bedeckt und man erhält so eine Bettoberfläche von etwa 5, 27 m ? und einen freien Raum oberhalb dieses Bettes von etwa 6, 71 ml, der den abgegrenzten Bereich bildet, in welchen das Beschickungsgas eingeführt wird.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass in dem Reaktionskessel 11 ein Verteilerrohr 17 angeordnet ist mit einer Vielzahl von Öffnungen 28, deren Gesamtaustrittsfläche mindestens 1, 7mal grösser als die wirksame Fläche des Gaseinlasses 18 ist und die auf der der Bettoberfläche abgekehrten Seite des Verteilerrohres 17 liegen, wobei der Abstand jeder Austrittsöffnung 28 von der Reflexionsfläche mindestens dem siebenfachen Durchmesser der einzelnen Austrittsöffnungen 28 entspricht.
Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf dieses besondere Anwendungsgebiet allein, ebenso ist die Erfindung nicht auf die in diesem Zusammenhang angewandten Stoffe, Mengen und Abmessungen beschränkt. So kann z. B. die Grösse und die Verteilung der Tonerdekugeln variieren, wie auch die Grösse des Katalysatorbettes variieren und der Katalysator als solcher von anderer Beschaffenheit sein kann.
Wie aus den nachstehenden Ausführungen hervorgeht, kann auch die Grösse und die Form des Reaktionskessels und demnach dessen Innenraum abgeändert werden, um ihn entsprechenden Bedingungen und Abmessungen anzupassen.
Horizontal im Abstand über der oberen Tonerdekugelschicht 16 ist das Gasverteilerrohr 17 angeordnet und wird in einer axialen Lage durch den Zuführungsteil 18 und das Band 19 gehalten. Das Band 19 seinerseits ist am Einstieg 21 befestigt, welcher gewöhnlich durch die Verschlussplatte 22 abgeschlossen ist. Der Einstieg 21 dient erforderlichenfalls als Zugang zum Kesselinneren.
Im Unterteil des Kessels 11 ist ein Feststoffauslassrohr 23 angeordnet, welches in direkter Verbindung mit dem oberhalb der Gitterauflage 12 liegenden Kesselbereich steht. Das Rohr 23 ist durch nicht darge-
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stellte Mittel verschlossen, um ein Austreten von Feststoffen oder Gasen während des Betriebes zu verhindern. Das zentral und vertikal angeordnete Rohr 23 ist von einer Gasentfernungsleitung 24 umgeben, deren Oberende in den unter dem Gitter 12 liegenden Raum 26 des Kessels 11 mündet. Durch die Gasauslassleitung 24 gelangt das Gas zu nicht dargestellten Umwandlungsvorrichtungen. Das Gitter 12 wird an seinem Rand durch die Wände des Kessels 11 und im Mittelteil durch die Stützen 27 getragen.
Bei normalem Betrieb des hier beschriebenen Reaktors zur Reformierung eines Beschickungsstockes
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von etwa 45 cm Innendurchmesser eingebracht wird, das Gas aus dem Zuführungsteil oder der Disse 18 mit einer Geschwindigkeit von etwa 1829 m/min austritt und auf der Bettoberfläche eine Geschwindigkeit im Bereich von noch wenigstens 1189 bis 1280 m/min hat. Bei einer derart hohen Gasgeschwiadigkeittritt eine beträchtliche und heftige Störung und Aufbrechung der Bettfeststoffe auf, die von einem Bruch des
Katalysators, Zersetzung von Material und einer raschen Erhöhung des Druckabfalles durch das Katalysatorbett auf Grund der Anhäufung von gebrochenen Katalysatorteilchen im Bett begleitet wird.
Weiters wurde gefunden, dass auch dann, wenn ein trogartiger Deflektorteil zwischen Auslass und Bettoberfläche angeordnet wurde, um einen direktenzutritt des ankommenden Gasstromes zur Bettoberfläche zu verhindern, dieGasgeschwindigkeiten an der Bettoberfläche an gewissenStellen trotzdem nochbei 823-915 m/mln lagen. Bei diesen Geschwindigkeiten und gemäss obiger Formel (I) werden die Feststoffteilchen der Bettoberfläche merklich aufgewühlt und bewegt und ein beträchtlicher Bruch und Zerreibung und folglich ein unbefriedigender Gasdurchfluss durch das Katalysatorbett sind die Folge. Zur Erzielung von für den Betrieb brauchbaren Gasgeschwindigkeiten wird der in den Fig. 2,3 und 4 deutlicher dargestellte Verteiler 17 am Auslass 18 angeordnet und von diesem gespeist.
Die vorerwähnte Formel wurde experimentell gefunden, indem verschiedene kleinteilige Feststoffe in Form eines kompakten Bettes mit verschiedenen Arten von strömenden Gasen bei verschiedenen Gasdichten, Drucken und Geschwindigkeiten in Berührung gebracht werden.
Bei dem in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Reaktorsystem durfte die an der Bettoberfläche herrschende Gasgeschwindigkeit nicht grösser als 512 m/min sein, wie unter Zuhilfenahme vorerwähnter Formel (I) bestimmt wurde. Bei einer Gasverteilung durch den Verteiler 17, dessen Konstruktion nachstehend näher erläutert wird, lagen die Gasgeschwindigkeiten an der Bettoberfläche gleichmässig in einem Bereich von etwa 329 bis 421 m/min und demnach innerhalb der Grenze der sicheren Arbeitsweise.
Gemäss Fig. 2 ist der Gasverteilerteil17 als hexagonaler Ring ausgebildet, wird von der Einlassöffnung 18 gespeist und verteilt das Gas durch 2, 54 cm-Austrittsöffnungen, die in den oberen 1200 der fünf.
Segmente, ausgenommen das Segment, welches am Einlass 18 befestigt ist, angeordnet sind. Die allgemeine Verteilung und Lage der Austrittsöffnungen 28 ist deutlich aus Fig. 3 ersichtlich. Gemäss dem oben beschriebenen System sind die Austrittsöffnungen so gross, dass deren Entfernung von der nächstgelegenen Fläche, also von der oberen Kesselwand, grösser als siebenmal der Durchmesser einer jeden Austrittsöff- nung ist. Demnach liegt keines dieser 2, 54 cm grossen Löcher näher als 17, 8 cm von der nächsten Reflexionsfläche entfernt.
Im beschriebenen, besonderen System war bei der direkten Einführung der erforderlichen Gasmenge beim Ende der Einlassöffnung 18 eine Gasgeschwindigkeit im Bereich von 1829 m/min durch eine tatsäch- liche Austrittsöfmung mit einem Durchmesser von45, 7 cm und einem Querschnitt von annähernd 1641 cm feststellbar. Die Strahlwirkung blieb an der Bettoberfläche mit nur geringem äusserem Abfall (bis etwa 1280 m/min Durchschnittsgeschwindigkeit) bestehen, die Strömungsentfernung betrug etwa 16, 2 cm und war demnach wesentlich weniger als der siebenfache Durchmesser des Auslasses 18.
Die Anordnung einer Prallfläche zwischen der Austrittsöffnung des Auslasses 18 und der Bettoberfläche, um den Strahl vom direkten Kontakt mit der Bettoberfläche abzulenken und dennoch das wirksame Austrittsverhältnis zu erhalten, bewirkte wohl eine gewisseverminderung der Gasgeschwindigkeit im Bett, die Geschwindigkeit war aber immer noch für ein erfolgreiches Arbeiten viel zu hoch, da sie noch etwa 915'm/min betrug.
Durch das Anschliessen eines Verteilerrohres 17 an den Auslass 18 wurde die Geschwindigkeit des aus dem Auslass 18 in den Verteiler 17 austretenden Gases nicht wesentlich beeinträchtigt. Das in den Verteiler 17 eingeführte Gas wird jedoch umgeleitet und strömt aus 585 Austrittsöffnungen 28 aus, welche in ihrer Gesamtheit eine Auslassfläche von etwa 2960 cm ?. also fast die doppelte Fläche des Auslasses 18, bilden. Die Öffnungen 28 sind so angeordnet, dass das aus ihnen austretende Gas in einer zur Bettoberfläche entgegengesetzten Richtung strömt.
Die Strahlwirkung der einzelnen Gasströme wird wirksam dadurch zerstreut, dass der Weg eines jeden einzelnen aus den Öffnungen 28 austretenden Strahles bis zur Wand durchwegs grösser ist als der siebenfache Durchmesser (2,54 cm) einer jeden Öffnung 28. Das Ergebnis dieser
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Gaszuführungsmethode war, dass die Gasgeschwindigkeit an der Bettoberfläche in einem Bereich von 366 m/min lag, also weit unter der für das System zulässigen Grenze von etwa 512 m/min.
Die Anordnung der Austrittsöffnungen in einer Richtung, dass das austretende Gas gegen eine Wandfläche oder eine andere Fläche ausser der Bettoberfläche strömt, stellt eine zusätzliche Massnahme zum Schutz der Bettoberfläche gegen übermässige örtliche Geschwindigkeiten dar. Wie bereits gezeigt wurde, sind die Öffnungen derart angeordnet, dass jede einzelne Strahl Wirkung abklingen kann, ehe die Wandfläche erreicht ist. Auch bei einem schlecht funktionierenden, vor Erreichen der Wand nicht vollständig zerstreuten Strahl ist der Rückweg entweder entlang einer erweiterten Bahn auf Grund der Wandkrümmung oder durch den Raum zu überwinden, wodurch jeder Strahleffekt verhindert und die Geschwindigkeit zu einem annehmbaren Durchschnittswert vor Erreichen der Bettoberfläche vermindert wird.
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ken zu verlassen.
Beispielsweise kann ein zylindrischer Horizontalkessel mit einem Verteilerdüsensystem gemäss Fig. 5 und 6 ausgestattet sein, bei welchem über eine zentral angeordnete Zuführungsleitung 31 und über den Spinnenteil 32 das Gas relativ gleichförmig dem Verteilerteil 33 zugeführt wird. Die obere Hälfte des Verteilers 33 ist mit Verteileröffnungen versehen, durch welche das Gas in den oberen Bereich des Reaktorkessels austritt, abhängig von den Bedingungen, die durch Grösse und Anzahl der Öffnungen, Weglänge u. dgl. gegeben sind, um eine Geschwindigkeit gemäss den vorstehenden Ausführungen zu erhalten. Die Erfindung umfasst ebenso andere Auslassformen und Gasverteilerformen, wie z. B. quadratische, ringförmige, usw.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Einführung eines grossen Gasvolumens bei kontrollierter Geschwindigkeit in einen abgegrenzten Reaktionsraum über ein Bett ruhender und ruhen bleibender kleiner Teilchen in einer Vielzahl von Strömen, beispielsweise bei katalytischen Reduktionsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass das in eine Vielzahl von Strömen unterteilte Gas zunächst in einer von der Bettoberfläche wegführenden Richtung in den Reaktionsraum eingeführt und erst nach Umlenkung über eine Reflexionsfläche gegen die Bettoberfläche geleitet wird.