BE1027663B1 - Reaktor für die katalytische Behandlung eines Gasstroms - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor (10) mit wenigstens einem Katalysatorbett (14) für die katalytische Behandlung eines Gasstroms, insbesondere einen Reaktor für die katalytische Behandlung des Restgases zur Reduzierung des Gehalts an Stickstoffoxiden in Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure nach dem Ostwald-Verfahren, wobei das Katalysatorbett (14) sich im Wesentlichen über den Querschnitt des Reaktors (10) erstreckt und das Katalysatorbett von dem zu behandelnden Gas axial durchströmt wird, wobei der Reaktor eine Tragstruktur für das Katalysatorbett aufweist, die mindestens teilweise in dem Reaktor schwimmend gelagert ist, wobei die Tragstruktur ein Siebelement (20) umfasst, sowie radial außenseitig fest mit der Reaktorwandung verbundene Tragelemente unterhalb des Siebelements, wobei das Siebelement (20) eine Auflageebene für das Katalysatorbett (14) schafft und wobei das Siebelement radial außenseitig mit Abstand vor der Reaktorwandung endet. Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor umfasst die Tragstruktur neben fest mit der Reaktorwandung verbundenen Tragelementen Stützelemente für das wenigstens eine Siebelement, welche im Reaktor ebenfalls schwimmend gelagert sind. Es wird so eine verbesserte schwimmende Lagerung geschaffen, bei der sowohl das Siebelement selbst, auf dem das Katalysatorbett aufliegt, als auch weitere Teile der Tragstruktur so gelagert sind, dass Spannungen durch wärmebedingte Ausdehnung verhindert werden.

Description

2020/5120 ' BE2020/5120 Reaktor für die katalytische Behandlung eines Gasstroms Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor mit wenigstens einem Katalysatorbett für die katalytische Behandlung eines Gasstroms, insbesondere einen Reaktor für die katalytische Behandlung des Restgases zur Reduzierung des Gehalts an Stickstoffoxiden in Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure nach dem Ostwald-Verfahren, wobei das Katalysatorbett sich im Wesentlichen über den Querschnitt des Reaktors erstreckt und das Katalysatorbett von dem zu behandelnden Gas axial durchströmt wird, wobei der Reaktor eine Tragstruktur für das Katalysatorbett aufweist, die mindestens teilweise in dem Reaktor schwimmend gelagert ist, wobei die Tragstruktur ein Siebelement umfasst, sowie radial außenseitig fest mit der Reaktorwandung verbundene Tragelemente unterhalb des Siebelements, wobei das Siebelement eine Auflageebene für das Katalysatorbett schafft und wobei das Siebelement radial außenseitig mit Abstand vor der Reaktorwandung endet.

Stand der Technik Die Herstellung von Salpetersäure ist einer der etablierten Prozesse der chemischen Technik, welcher nach Einführung des Haber-Bosch-Verfahrens zur NH3-Synthese von W.

Ostwald auf Basis von Platin-Katalysatoren zur industriellen Reife entwickelt wurde und dessen Konzeption auch heute noch die Basis der modernen HNO:-Herstellung bildet.

Zur Herstellung von Salpetersäure wird zunächst Ammoniak NH; mit Luft reaktiv umgesetzt und Stickoxid NO erzeugt, welches dann zu Stickstoffdioxid NO» oxidiert wird.

Anschließend wird das so gewonnene Stickstoffdioxid NO, in Wasser absorbiert und es entsteht die Salpetersäure.

Damit möglichst viel von dem gewonnenen Stickstoffdioxid NO» von Wasser absorbiert wird, geschieht die Absorption in der Regel bei erhöhtem Druck, vorzugsweise bei Drücken zwischen etwa 4 und etwa 14 bar.

Bei der Salpetersäureherstellung wird also Ammoniak mit Luft in Gegenwart von Platinnetzen verbrannt.

Dabei werden die Netze von einem Gasgemisch aus typischerweise etwa 9 — 12 Vol.-% NH; und Luft durchstrômt, wobei sich an den Netzen durch die Exothermie der Oxidationsreaktion eine Temperatur von etwa 800 — 950°C einstellt.

Dabei wird NH3 sehr selektiv zu Stickstoffmonoxid (NO) oxidiert (A, Reaktionsschema |), welches dann im Laufe des weiteren Prozesses zu Stickstoffdioxid (NOz) oxidiert wird (B, Reaktionsschema Il) und schließlich mit Wasser in einer Absorptionsvorrichtung zu HNO; umgesetzt wird (C, Reaktionsschema Ill).

A) Verbrennung von Ammoniak in einem Oxidationsreaktor unter Umsetzung von Ammoniak mit Sauerstoff zu Stickoxid 4 NH; +5 O, >4NO +6 H,O (1)

B) Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid 2NO+ ©, > 2 NO, (IN) Die Reaktion läuft im Salpetersäureprozess nach dem Ostwaldverfahren als nicht-katalysierte Gasphasenreaktion ab.

C) Bildung von HNO: (Salpetersäure) durch Absorption von NO, in Wasser in den Kondensatoren und dem Absorptionsturm unter Rückbildung von NO 3 NO, + H,O > 2 HNO4, + NO (IN Ein typisches Verfahren sowie eine Anlage zur Herstellung von Salpetersäure werden beispielsweise in der WO 2018/137996 A1 beschrieben.

Eine derartige Anlage umfasst einen Ammoniakoxidationsreaktor, dem über eine Leitung Ammoniak zugeführt wird.

In diesem Ammoniakoxidationsreaktor wird Ammoniak mit Hilfe von Luftsauerstoff katalytisch zu Stickstoffoxiden (NOx) oxidiert.

Die Oxidation des Ammoniaks erfolgt katalytisch bei hohen Temperaturen von beispielsweise etwa 900 °C, wobei das Ammoniak zunächst zu Stickstoffmonoxid (NO) und dann nach Absenkung der Temperatur zu Stickstoffdioxid (NO) oxidiert wird.

Das im Ammoniakoxidationsreaktor erzeugte NOx-haltige Produktgas wird danach einem Säurekondensator zugeführt, in dem eine Kühlung erfolgt, so dass in dem Produktgasstrom enthaltenes Wasser kondensiert und sich mit dem NOx-Gas ein erster Anteil Säurekondensat bildet, welches einem Absorptionsturm zugeführt, in dem das NOx-Gas in Wasser absorbiert wird und Salpetersäure (HNO4) erzeugt wird.

Das Restgas (so genanntes tail gas) verlässt den Absorptionsturm oben und wird dann einem Restgasreaktor zugeführt, welchem außerdem Ammoniak zugeführt wird, das mit den noch im Restgas enthaltenen Stickstoffoxiden zu Stickstoff und Wasser reagiert, so dass das Restgas von NOx befreit und gereinigt wird.

Verfahren zur Beseitigung von NOx und N;O aus dem Restgas der Salpetersäureproduktion werden beispielsweise in der EP 1 268 040 B1 beschrieben.

Das Verfahren kann beispielsweise zwei aufeinander folgende Stufen umfassen, wobei in der ersten Stufe, die in der Fachwelt auch als DeNOx-Stufe bezeichnet wird, der NOx-Gehalt durch ein katalytisches Reduktionsverfahren reduziert wird und in der zweiten Stufe (auch als DeN,O-Stufe bezeichnet) der N:0-Gehalt des Gases reduziert wird.

In der ersten Stufe kann die Reduktion der Stickstoffoxide beispielsweise mit Ammoniak nach den folgenden Reaktionsgleichungen erfolgen: 6NO;+8NH;3 > 7 N, + 12 H,O (IV) 4 NO + Oz + 4 NH; > 4 N, + 6 H,O (V)

In der zweiten Stufe reagiert das N,0 zunächst mit NO nachfolgender Gleichung: 2 N20 + NO > 2 N, + 2 NO, (VI) 2 NO > 2 NO + O; (VII) So dass es sich hier in der Summe um eine katalytische Zersetzung des N;O zu N, und O, handelt, gemäß der Gesamtgleichung 2 N20 > 2 N, + O, (VIII) Bei der NOx-Reduzierung in der Behandlung des aus dem Absorptionsturm austretenden Restgases werden bei der Herstellung von Salpetersäure bislang vornehmlich Reaktoren mit radial durchstrômten Katalysatorbetten eingesetzt.

Diese Reaktoren haben diverse Nachteile: Ein radial durchströmter Reaktor wird mit einem innenliegenden Katalysatorkorb versehen, der in der Regel aus Siebblech und Maschendraht ausgeführt ist.

Dieser Korb macht einen teuren und aufwändigen sowie fehleranfälligen Apparate-Hauptflansch notwendig.

Weiterhin muss der Korb samt Katalysator durch einen massiven inneren Tragring gehalten werden, was wiederum innenliegende bearbeitete Dichtflächen erforderlich macht.

Der Fertigungsaufwand und die Fehleranfälligkeit sind als sehr hoch anzusehen.

Weiterhin tritt bei einem radial durchstrômten Katalysatorkorb ein Nachsacken des Katalysatorbettes auf.

Um eine Bypassierung des Gasstroms oberhalb des Katalysatorbettes zu vermeiden, muss stets eine Nachrutschreserve des kostspieligen Katalysators eingeplant werden, die beispielsweise bis zu 25 % des gesamten Katalysatorvolumens ausmachen kann und an der eigentlichen katalytischen Reaktion nicht teilnimmt.

Weiterhin erfüllt der herausnehmbare Katalysatorkorb die ihm zugedachte Aufgabe, nämlich einen einfachen Wechsel des Katalysators zu ermöglichen, nur unzureichend.

Der Korb kann bedingt durch sein Design nicht ausgekippt werden, da dieser nur aus dünnem Lochblech besteht.

Zum Wechseln muss der Katalysator somit trotzdem aus dem Korb abgesaugt werden.

Aus der DE 102 26 461 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure bekannt, bei dem das Abgas der Salpetersäureherstellung zur Verringerung des Gehalts an Stickstoffoxiden (NO, NO, und N,O) über zwei aufeinanderfolgende Katalysatorbetten geleitet wird, wobei eines oder beide Katalysatorbetten von dem zu reinigenden Abgas radial durchströmt werden.

Bei dieser bekannten Vorrichtung erstrecken sich die Katalysatorbetten nicht über den gesamten Querschnitt des Behälters, sondern es verbleibt außen ein Ringspalt zwischen dem Katalysatorbett und der Behälterwandung, so dass das zu reinigende Gas in diesen Ringspalt eintritt und von dort aus radial nach innen hin durch ein erstes Katalysatorbett strömt, dann in einen radial inneren Ringspalt gelangt, durch den es axial strömt und durchströmt danach ein zweites Katalysatorbett wiederum in radialer Richtung von innen nach außen.

Diese Art der Durchströmung eines Katalysatorbetts wird in der vorliegenden Anmeldung als in Bezug auf den Reaktor radiale Durchströmung des Katalysatorbetts bezeichnet.

Durchtritt hingegen das zu reinigende Gas ein sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Reaktors erstreckendes Katalysatorbett in axialer oder achsparalleler Richtung, wird in der vorliegenden Anmeldung von axialer Durchströmung des Katalysatorbetts gesprochen.

Letztere Art der Durchströmung des Katalysatorbetts kann sich Jedoch sowohl auf stehende als auch auf liegende Behälter beziehen.

Im letztgenannten Fall kann sich das Katalysatorbett auch über die gesamte Längserstreckung des Behälters erstrecken, wobei dieser größere Abmessungen in der Längsrichtung als in der Höhe aufweisen kann, so dass bei einem liegenden zylindrischen Behälter die Strömungsrichtung bezogen auf den Reaktorbehälter quer zu dessen Achse erfolgt.

Gleichwohl handelt es sich hier auch um eine axiale Durchströmung des Katalysatorbetts im Sinne der vorliegenden Anmeldung, auch wenn der liegende zylindrische Behälter selbst in diesem Fall radial durchströmt wird.

Aus der WO 2012/065969 A1 ist ein chemischer Reaktor mit Drahtgestrick-Maschenware als Halteeinrichtung für Partikel eines Katalysatorbettes mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt, wobei der chemische Reaktor zur heterogen katalysierten Umsetzung eines Fluids dient und wobei das Katalysatorbett bezogen auf den Reaktor in axialer Richtung durchströmt wird.

Auf der Innenseite der Reaktorwand ist umlaufend ein Tragring ausgebildet.

Auf diesem Tragring befindet sich schwimmend gelagert ein als Spaltsieb ausgebildeter Träger, auf dem sich wiederum eine Drahtgestrick-Maschenware befindet, die die Katalysatorpartikel aufnimmt.

Bei der heterogen katalysierten Reaktion handelt es sich hier um eine adiabate Hydrierung von Nitrobenzol zu Anilin.

Die EP O 771 234 B1 beschreibt einen Reaktor für exotherme heterogen katalytische Synthesereaktionen, insbesondere für die Herstellung von Ammoniak oder Methanol, bei dem das Katalysatorbett im Wesentlichen den gesamten Querschnitt des Reaktors ausfüllt und von den Reaktionsgasen in axialer Richtung bezogen auf den Behälter durchströmt wird.

Der Reaktor umfasst eine Bodenplatte, welche radial innenseitig auf einem Träger schwimmend gelagert ist und welche außenseitig auf einem ringförmigen Träger gelagert ist und sich dort bis nahe an die Wandung des Reaktors erstreckt.

Die Bodenplatte trägt das Katalysatorbett.

Die schwimmende Lagerung an einer Seite dient dazu, Spannungen durch wärmebedingte Ausdehnung zu vermeiden.

Beschreibung der vorliegenden Erfindung Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Reaktor mit wenigstens einem Katalysatorbett für die katalytische Behandlung eines Gasstroms, insbesondere für die Restgasbehandlung bei der Herstellung von Salpetersäure mit den eingangs genannten Merkmalen zur Verfügung zu stellen, bei dem das Katalysatorbett axial durchströmt wird und eine konstruktiv verbesserte schwimmende Lagerung für das Katalysatorbett vorgesehen ist.

Die Lösung der vorgenannten Aufgabe liefert ein Reaktor mit wenigstens einem Katalysatorbett der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Tragstruktur neben fest mit der Reaktorwandung verbundenen Tragelementen Stützelemente für das wenigstens eine Siebelement umfasst, welche im Reaktor ebenfalls schwimmend gelagert sind.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht somit vor, dass nicht nur das (flächige) Siebelement, sondern auch die Stützelemente, auf denen das Siebelement bereichsweise aufliegt, schwimmend gelagert sind.

Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Lösung ist insbesondere, dass im Vergleich mit der herkömmlichen Konstruktion mit stehendem Reaktorbehälter und radial durchströmtem Katalysatorbett der kostspielige Haupt-Apparate-Flansch entfallen kann.

Weiterhin kann der aufwändige und kostenintensive Reaktorkorb wegfallen.

Dadurch verringern sich die Kosten der Vorrichtung und die Lieferzeiten.

Auch die Menge des benötigten Katalysators lässt sich reduzieren, da keine Nachrutschreserve mehr benötigt wird.

Der verbrauchte Katalysator lässt sich einfacher austauschen, beispielsweise durch Absaugen, wobei ein Zugang zum Inneren des Behälters und somit zum Katalysator beispielsweise über Mannlöcher erfolgen kann. Somit entfällt die bisherige aufwändige Demontage der Reaktorhaube und die Entnahme des Reaktorkorbes ist nicht mehr notwendig. Die Serviceleistung beim Austausch des Katalysators wird folglich erheblich vereinfacht. Die Größe der Vorrichtung kann nahezu beliebig an die jeweils benötigte Katalysatorschüttung angepasst werden. Die Herstellung der Vorrichtung kann in kürzerer Zeit und zu geringeren Kosten erfolgen und die Wartung der Anlage wird vereinfacht. Nachfolgend sollen einige hierin verwendete Begriffe zum besseren Verständnis der vorliegenden Beschreibung der Erfindung noch einmal erläutert werden.

Der Ausdruck „Stickstoffoxide“ wird in der Technik zusammenfassend für die bei der Oxidationsreaktion von Ammoniak entstehenden Oxide der verschiedenen Oxidationsstufen verwendet, nämlich Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO), Distickstofftetroxid (N2O4) und Distickstoffmonoxid (N20), wobei bei der Reaktion hauptsächlich NO und NO, entstehen.

Diese verschiedenen Stickstoffoxide werden in ihrer Gesamtheit auch mit NOx bezeichnet. Bei dem Schritt der Absorption der Stickstoffoxide in Wasser, welcher in dem Absorptionsturm einer Salpetersäureanlage abläuft, wird gemäß der obigen Gleichung C) Stickstoffdioxid (NO:), in dem der Stickstoff die Oxidationsstufe 4 aufweist, weiter zu Salpetersäure (HNO:) oxidiert, in der Stickstoff in der Oxidationsstufe 5 vorliegt.

Diese Reaktion der Absorption von Stickstoffdioxid in Wasser erfolgt in einem Absorptionsturm, wobei es sich hier um eine Absorptionskolonne handelt, die mehrere Siebböden aufweist und einen Kolonnensumpf in ihrem unteren Bereich hat. Als ,Restgas“ wird dasjenige Gas bezeichnet, welches bei der Absorption nicht zu flüssiger Salpetersäure umgesetzt wird, sondern den Absorptionsturm gasförmig verlässt. Dieses Restgas wird in der Restgasreinigung in der Regel durch Umsetzung mit Ammoniak katalytisch zu Stickstoff reduziert, um den Gehalt des Restgases an Stickstoffoxiden (NOx sowie N50) zu verringern. Dieses Restgas wird im angloamerikanischen Sprachraum auch als „tailgas“ bezeichnet.

Der erfindungsgemäße Reaktor wird insbesondere für die Behandlung des Restgases verwendet, welches bei der Salpetersäureherstellung den Absorptionsturm verlässt.

Unter dem hierin verwendeten Begriff „Siebelement* wird ein flächiges plattenförmiges Gebilde verstanden, welches perforiert ist und somit einen Gasdurchlass ermöglicht. Beispielsweise handelt es sich um ein Siebblech, welches sich bevorzugt sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung durch den gesamten Restgasreaktor unterhalb des Katalysatorbettes erstreckt und somit als Auflager für das Katalysatorbett dient. Das Siebelement kann über seine Fläche durchgehend ausgebildet sein oder gegebenenfalls aus mehreren kleineren Siebelementen zusammengesetzt sein. Da somit im Prinzip auch mehrere Siebelemente verwendet werden können, die sich zu der Gesamtfläche des Siebelements ergänzen, wird in der vorliegenden Anmeldung auch von wenigstens einem Siebelement gesprochen.

Als ,Tragstruktur“ wird hierin die Gesamtheit der Bauteile bezeichnet, die der Schaffung eines Auflagers für das Katalysatorbett dienen. Diese Tragstruktur umfasst das Siebelement, die Stützelemente, auf denen das Siebelement aufliegt, die Konsolen, auf denen wiederum diese Stützelemente aufliegen sowie gegebenenfalls weitere Tragelemente an der Wandung des Reaktorbehälters, auf denen das Siebelement in seinem Randbereich aufliegt.

Die vorliegende Erfindung umfasst sowohl Reaktoren, welche als liegende Reaktoren ausgebildet ist, bei denen der Gasstrom, insbesondere das Restgas das Katalysatorbett im Wesentlichen senkrecht oder quer zur Behälterachse durchströmt oder die als stehende Reaktoren ausgebildet sind, bei denen der Gasstrom, insbesondere das Restgas das Katalysatorbett im Wesentlichen in Achsrichtung oder parallel zur Behälterachse durchströmt.

Bei einem liegenden Reaktor handelt es sich vorzugsweise um einen etwa zylindrischen Behälter, dessen Achse etwa horizontal verläuft, wobei die Erstreckung des Behälters in dieser Achsrichtung auch als Längsrichtung bezeichnet wird, während die Erstreckung des Behälters quer zu seiner Längsachse, das heißt die in Bezug auf seine Längsachse radiale Erstreckung auch als Querrichtung bezeichnet wird. In einem liegenden Reaktorbehälter erstreckt sich das Katalysatorbett im Wesentlichen horizontal als Schicht über vorzugsweise den gesamten Querschnitt des Behälters und wird von dem zu reinigenden Gasstrom axial durchströmt, das heißt von oben nach unten oder gegebenenfalls in umgekehrter Richtung von unten nach oben.

Sofern bei dem erfindungsgemäßen Reaktor überhaupt ein Nachsacken des Katalysators auftritt, ist dies unproblematisch, da aufgrund der axialen Durchströmung kein Bypassing auftritt, da das Prozessgas nicht seitlich an dem Katalysatorbett vorbeiströmen kann.

Das Befüllen bzw. Entleeren des Katalysators, insbesondere durch Absaugen, kann beispielsweise über diverse Mannlöcher und Füllstutzen realisiert werden, wobei denen Anzahl und Positionierung von der Größe und Geometrie des Reaktorbehälters im konkreten Anwendungsfall abhängen. Ein separater Katalysatorkorb ist nicht mehr erforderlich, wodurch die Notwendigkeit eines teuren und aufwändigen Apparate-Hauptflansches entfällt.

Bislang hat man axial durchströmte Katalysatorbetten in diesem Bereich aufgrund thermischer Spannungsprobleme wenig eingesetzt. Das horizontal angeordnete Katalysatorbett muss im Reaktorbehälter entsprechend unterstützt werden. Um ein Bypassing zwischen der

Behälterwandung und dem Katalysatorbett zu verhindern, musste die Konstruktion bisher fest mit dem Behältermantel verschweißt werden.

Die üblicherweise im Betrieb auftretenden Temperaturen führen damit wiederum zu hohen thermischen Spannungen und dadurch zu Beschädigungen am Katalysatorbett bzw. dessen Unterstützungen (der Tragstruktur). Dies wird durch die erfindungsgemäße verbesserte schwimmende Lagerung verhindert.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung umfassen die fest mit der Reaktorwandung verbundenen Tragelemente Konsolen, auf denen die Stützelemente verschieblich aufliegen, wobei auf den verschieblichen Stützelementen wiederum das wenigstens eine Siebelement aufliegt.

Unter Konsolen werden hierin Tragelemente verstanden, die so geformt sind, dass sie sich einerseits entlang der gegebenenfalls gekrümmten Reaktorwandung erstrecken, mit der sie verbunden sind und andererseits eine oberseitige bevorzugt horizontale Auflageebene umfassen, auf der die Stützelemente aufliegen können.

In der Seitenansicht können solche Konsolen beispielsweise einen etwa dreieckigen Umriss aufweisen, wobei eine Seite des Dreiecks, die entlang der Reaktorwandung verläuft, eine konvexe Krümmung aufweist.

Die Auflagekräfte aus der Gewichtskraft des Siebelements und des Katalysatorbetts werden auf diese Weise günstig in die Reaktorwandung eingeleitet und ein Hebelmoment wird vermieden.

Vorzugsweise sind mehrere in Längsrichtung oder in Umfangsrichtung des Reaktors gesehen jeweils voneinander beabstandete Konsolen vorgesehen, auf denen jeweils Stützelemente verschieblich aufliegen, wobei ein oder mehrere Siebelemente auf einem oder mehreren Stützelementen aufliegen.

Derartige Konsolen können sowohl entlang der Längsseite als auch entlang der Querseite der Wandung des Reaktorbehälters angeordnet sein.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegen die Stützelemente auf den Konsolen mit zwei Freiheitsgraden der Bewegung in zwei zueinander etwa senkrecht ausgerichteten Richtungen verschieblich auf.

Bei dieser Variante besteht der Vorteil, dass sowohl Ausdehnungen der Stützelemente in Längsrichtung des Reaktorbehälters als auch solche in Querrichtung (quer zur Längsrichtung) des Reaktorbehälters möglich sind, ohne dass es zu Spannungen kommt.

Gemäß einer möglichen bevorzugten konstruktiven Variante des erfindungsgemäßen Reaktors sind die Konsolen in ihrer Querrichtung breiter ausgebildet sind als die Stützelemente.

Dadurch können sich die Stützelemente auf den Konsolen in Querrichtung verschieben, ohne dass Spannungen in den Bauteilen auftreten.

Um zu verhindern, dass bei einer solchen Verschiebung der Stützelemente in Querrichtung der Konsolen die Stützelemente von den Konsolen rutschen, sind gemäß einer bevorzugten

Weiterbildung der Erfindung an den Konsolen Wangen so angebracht, dass sie die verschiebliche Bewegung der Stützelemente relativ zu den Konsolen in Querrichtung der Konsolen begrenzen.

Die Stützelemente enden bevorzugt mit Abstand vor der Reaktorwandung, so dass hier ein Spalt verbleibt und keine Spannungen entstehen, wenn die Stützelemente sich in ihrer Längsrichtung—also in Richtung auf die Reaktorwandung zu—ausdehnen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind jeweils zwei voneinander beabstandete parallele Wangen beidseitig an den Konsolen angebracht, wobei die beiden Wangen über ein sich in Querrichtung erstreckendes Abstandselement miteinander verbunden sind.

Bei dieser bevorzugten konstruktiven Variante sind somit die Wangen nicht nur mit den Konsolen fest verbunden, sondern auch untereinander verbunden.

Sofern sich die Stützelemente auf den Konsolen in Querrichtung verschieben und dadurch Kräfte in dieser Richtung auf die Wangen einwirken und diese auf Biegung beanspruchen, werden die Wangen durch die Verbindung untereinander stabilisiert.

Das sich in Querrichtung erstreckende Abstandselement sorgt für eine gewisse Führung der Stützelemente bei deren Verschiebung in Querrichtung.

Bei der vorgenannten konstruktiven Variante ist vorzugsweise als Abstandselement eine kraftschlüssig mit den Wangen verbundene Hülse vorgesehen, die diese untereinander verbindet und die sich in Querrichtung (also etwa senkrecht) zur Ebene der beiden zueinander parallelen Wangen erstreckt.

Die Verbindung zwischen der Hülse und den beiden Wangen kann beispielsweise eine Schraubverbindung sein.

Da bei der schwimmenden Lagerung der Stützelemente vorgesehen ist, dass sich diese auf den Konsolen auch in Längsrichtung bewegen können (aufgrund der thermischen Ausdehnung) müssen die Stützelemente einen Schlitz oder ein Langloch aufweisen, wenn sich die als Abstandselement zwischen den Wangen verlaufende Hülse in Querrichtung zu dem Stützelement erstreckt, so dass sich die Hülse dann durch den Schlitz hindurch erstreckt und für das Stützelement der Bewegungsfreiheitsgrad in Längsrichtung gegeben ist.

Eine bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Tragstruktur zusätzlich zu den Konsolen wenigstens ein an der Reaktorwandung umlaufend angeordnetes und mit dieser verbundenes weiteres Tragelement umfasst, auf dem das wenigstens eine Siebelement mit Abstand zur Reaktorwandung schwimmend aufliegt, so dass ein Randspalt zwischen Siebelement und Reaktorwandung verbleibt.

Bei dieser möglichen konstruktiven Variante liegt das Siebelement somit verschieblich auf in der Regel mehreren der oben beschriebenen Stützelemente auf, die zueinander in Längsrichtung des Reaktorbehälters beabstandet sind. Diese Stützelemente enden jeweils mit Abstand vor der Reaktorwandung. Der äußere Bereich des Siebelements liegt dann jenseits dieser Stützelemente im wandnahen Bereich wiederum schwimmend auf einem weiteren Tragelement auf, welches an der Wandung des Reaktorbehälters umlaufend angeordnet sein kann und welches seinerseits fest mit der Reaktorwandung verbunden ist. Durch die auch hier schwimmende Lagerung kann sich das Siebelement auch gegenüber diesem weiteren Tragelement verschieben. Das umlaufende Tragelement verhindert das Bypassing des Gasstroms.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist wenigstens ein umlaufendes Deckblech vorgesehen, welches einen Randspalt zwischen dem Siebelement und der Reaktorwandung überdeckt und verhindert, dass die Katalysatorschüttung in den Spalt zwischen Siebelement und Behälterwandung rieselt. Das Deckblech kann auch als Winkelprofil ausgebildet sein oder als schräg an der Behälterwandung angebrachter Flachstahl.

Bei der vorgenannten konstruktiven Variante wird im Prinzip der der Reaktorwandung zugewandte randseitige Bereich des Siebelements zwischen dem umlaufenden weiteren Tragelement, auf dem das Siebelement, insbesondere Siebblech aufliegt und dem Deckblech, das auf dem Siebblech aufliegt, eingefasst. In der Regel liegt das Katalysatorbett nicht unmittelbar auf dem Siebblech, sondern auf das Siebblech ist zunächst noch ein Drahtgeflecht aufgelegt, auf dem dann wiederum das Katalysatorbett aufliegt.

Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der Reaktor als liegender Reaktor ausgebildet, bei dem der Gasstrom, insbesondere das Restgas das Katalysatorbett im Wesentlichen senkrecht oder quer zur Behälterachse durchströmt. Alternativ kann aber der Reaktor auch als stehender Reaktor ausgebildet sein, bei dem der Gasstrom, insbesondere das Restgas das Katalysatorbett im Wesentlichen in Achsrichtung oder parallel zur Behälterachse durchströmt. Bei beiden Varianten liegt eine axiale Durchströmung des Katalysatorbetts vor. Bei der ersten Variante liegt ein liegendes Katalysatorbett in einem liegenden Reaktorbehälter vor und der zu behandelnde Gasstrom durchströmt den liegenden Reaktorbehälter quer zur Behälterachse, zumeist von oben nach unten. Bei der zweiten Variante liegt ebenfalls ein liegendes Katalysatorbett vor, in einem stehenden Reaktorbehälter und der zu behandelnde Gasstrom durchströmt den Behälter in Richtung der Behälterachse ebenfalls zumeist von oben nach unten.

Bei radial durchströmten Katalysatorbetten, die nicht von der vorliegenden Erfindung erfasst sind, handelt es sich beispielsweise um ein stehendes Katalysatorbett in einem stehenden Behälter, in den das zu behandelnde Gas beispielsweise von oben her zunächst in

Achsrichtung eintritt, dann aber umgelenkt wird und das stehende Katalysatorbett dann in radialer Richtung, beispielsweise von außen nach innen hin durchströmt. Für eine solche Bauart mit radial durchstrômtem Katalysatorbett benötigt man einen Katalysatorkorb, der den Katalysator einfasst.

Gemäß einer optionalen Variante der Erfindung verwendet man zur weiteren Aussteifung der Tragstruktur oberhalb oder gegebenenfalls alternativ auch unterhalb des Siebelements in dem Katalysatorbett etwa vertikal ausgerichtete, sich entlang des Siebelements erstreckende, zueinander beabstandete, etwa vertikale Aussteifungsrippen. Diese Aussteifungsrippen können sich beispielsweise in der Längsrichtung des Reaktorbehälters erstrecken.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen: Figur 1 einen schematisch vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Restgasreaktor einer Anlage zur Herstellung von Salpetersäure gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Figur 2 einen schematisch vereinfachten Querschnitt durch den Restgasreaktor nach dem Ausführungsbeispiel von Figur 1; Figur 3 eine vergrößerte Detailansicht, die einen Teil eines Querschnitts durch den Restgasreaktor zeigt, wobei die schwimmende Lagerung des Siebblechs dargestellt ist; Figur 4 eine vergrößerte Detailansicht, die einen vertikalen Schnitt durch die Ansicht von Figur 3 entlang der Linie A-A zeigt; Nachfolgend wird zunächst auf die Figur 1 Bezug genommen und anhand dieser Darstellung wird eine erste beispielhafte Ausführungsvariante der Erfindung näher erläutert. Die Darstellung des Reaktors in Figur 1 ist schematisch vereinfacht und es sind nur diejenigen Anlagenkomponenten dargestellt, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung von Bedeutung sind. In Figur 1 ist eine mögliche alternative Variante des erfindungsgemäßen Reaktors dargestellt, bei der es sich um einen liegenden Reaktor handelt. Dies bedeutet, die Achse 15 des Reaktorbehälters 10 verläuft im Wesentlichen horizontal und das Katalysatorbett 14 erstreckt sich im Prinzip in Richtung dieser Achse oder parallel zu dieser. In Figur 1 ist das Katalysatorbett 14 dargestellt, welches sich in Längsrichtung (Achsrichtung) des Reaktorbehälters 10 in der Regel über seine gesamte Länge erstreckt. Da die zu reinigenden Gase oben über den Einlass 16 in den Behälter einströmen und diesen quer zu seiner Achse 15 durchströmen, wird das Katalysatorbett 14 axial in Pfeilrichtung von den Gasen durchströmt. Im oberen Bereich des Reaktorinnenraums treffen die Gase auf eine Ablenkplatte

17, so dass sie sich gleichmäßiger über den Behälterquerschnitt verteilen.

Danach strömen die Gase axial in Pfeilrichtung durch das Katalysatorbett und verlassen dann den Behälter über den Auslass 18. In Längsrichtung erstrecken sich im Reaktorbehälter 10 oberhalb eines Siebblechs 20, auf dem das Katalysatorbett 14 aufliegt, Aussteifungsrippen 19, die in der Darstellung gemäß Figur 1 im Katalysatorbett liegen.

Figur 2 zeigt einen schematisch vereinfachten Querschnitt durch den Reaktorbehälter 10 von Figur 1, aus dem erkennbar ist, dass der Reaktorbehälter 10 eine etwa zylindrische Form hat und dass sich das Katalysatorbett 14 auch in Querrichtung des Reaktorbehälters 10 gesehen über dessen gesamten Querschnitt erstreckt, so dass die zu reinigenden Gase das Katalysatorbett durchströmen müssen.

Nähere Einzelheiten der Tragstruktur für die Auflage des Siebblechs, auf dem wiederum das Katalysatorbett aufliegt, ergeben sich aus den Detaildarstellungen gemäß den Figuren 3 und 4, auf die nachfolgend Bezug genommen wird.

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Querschnittsdarstellung des Reaktorbehälters, ähnlich wie in Figur 2, jedoch in vergrößertem Maßstab.

In dieser Ansicht sind Teile der Tragstruktur für die schwimmende Lagerung des Siebblechs 20 im Reaktorbehälter 10 dargestellt.

Dieses Siebblech 20, auf dem das Katalysatorbett 14 aufliegt, endet mit etwas Abstand zur Reaktorwandung 11, so dass ein Randspalt 21 zwischen dem äußeren Rand des Siebblechs und der Reaktorwandung 11 verbleibt, wobei das Siebblech 20 in seinem äußeren 20 Randbereich auf einem an der Reaktorwandung umlaufend angeordneten und mit dieser verbundenen, beispielsweise verschweißten Tragelement 22 mit Abstand zur Reaktorwandung schwimmend aufliegt.

Dadurch ist es möglich, dass das Siebblech sich bei Wärmeausdehnung weiter in den Spalt 21 hinein verschiebt, ohne dass es zu Materialspannungen kommt.

Weiterhin ist wenigstens ein umlaufendes Deckblech 23 vorgesehen, welches den Randspalt 21 zwischen dem Siebblech 20 und der Reaktorwandung 11 überdeckt, so dass verhindert wird, dass die Katalysatorschüttung in den Spalt zwischen Siebelement und Behälterwandung rieselt.

Somit ist der randseitige Bereich des Siebblechs 20 sandwichartig zwischen dem umlaufenden Tragelement 22 und dem Deckblech 23 eingefasst.

Bei dem umlaufenden Tragelement 22 kann es sich beispielsweise um ein Flacheisen oder dergleichen handeln.

Die Tragstruktur für das Siebblech 20 umfasst weiterhin Stützelemente 24, auf denen das Siebblech 20 mit seiner Unterseite aufliegt, wobei diese Stützelemente 24 ebenfalls schwimmend gelagert sind und mit Abstand vor dem umlaufenden Tragelement 22 enden, wie durch den Doppelpfeil 25 in Figur 3 angedeutet ist.

Dadurch besteht die Möglichkeit, dass sich die Stützelemente 24 bei Wärmeausdehnung in Richtung des Doppelpfeils 25, das heißt in Querrichtung im Reaktorbehälter 10 bewegen. Die Tragstruktur für das Siebblech 20 umfasst weiterhin Konsolen 12, die fest mit der Wandung 11 des Reaktorbehälters 10 verbunden sind, beispielsweise durch verschweißen und auf denen die Stützelemente 24 wiederum schwimmend gelagert sind. Für eine Begrenzung der Querverschiebung der Stützelemente 24 dienen Wangen 13, die einen Schlitz 27 oder ein Langloch aufweisen, durch das sich in Querrichtung zu den Wangen 13 eine Hülse 26 erstreckt (siehe Figur 4). Weitere Details betreffend die schwimmende Lagerung der Stützelemente 24 sind aus der Darstellung gemäß Figur 4 ersichtlich, welche eine Ansicht in Richtung des Pfeils A von Figur 3 zeigt und somit einen Detailausschnitt in Längsrichtung des Reaktorbehälters 10 gesehen und auf die nachfolgend Bezug genommen wird. In Figur 4 sind zwei der Konsolen 12 der Tragstruktur erkennbar, die jeweils beidseitig von zwei Wangen 13 eingefasst werden, welche wiederum mit den Konsolen 12 fest verbunden sind. Diese Wangen 13 erstrecken sich parallel zu den Konsolen 12 und sind mit den Konsolen beispielsweise durch eine Schweißverbindung fest verbunden. Die Wangen 13 sind an beiden Seiten jeweils seitlich flankierend zu den Konsolen 12 angeordnet und überragen diese nach oben hin. Die Konsolen 12 erstrecken sich radial nach außen hin bis zur Wandung 11 des Reaktorbehälters und sind mit dieser fest verbunden, wie Figur 3 zeigt. Aus Figur 4 ist erkennbar, dass die Konsolen 12, auf denen die Stützelemente 24 schwimmend gelagert aufliegen, breiter sind als die Stützelemente 24 selbst. Die Hülsen 26 erstrecken sich quer zu den Stützelementen 24, erstrecken sich durch die Stützelemente 24 und die beiden Wangen 13 hindurch und sind beispielsweise über eine Schraubverbindung an den Wangen 13 festgelegt. Dadurch, dass die Stützelemente 24, die auf den Konsolen 12 ruhen, schmaler sind als die Konsolen, können sie sich geführt durch die Hülsen 26 auch gegenüber den Konsolen in Querrichtung bewegen, so dass sich eine schwimmende Lagerung der Stützelemente 24 in Richtung zweier Bewegungsfreiheitsgrade ergibt, nämlich in Querrichtung und in Längsrichtung auf die Reaktorwandung zu (siehe Doppelpfeil 25 in Figur 3). Durch die Wangen 13 wird dabei verhindert, dass die Stützelemente 24 bei zu starker Bewegung in Querrichtung von den Konsolen 12, auf denen sie aufliegen, rutschen.

Das Siebblech 20 liegt wiederum auf der Oberseite der Stützelemente 24 auf, jeweils die Distanz zwischen zwei benachbarten Stützelementen 24 überbrückend, wie aus Figur 4 ersichtlich ist. Das Siebblech 20 liegt auf den Stützelementen lose auf und ist somit ebenfalls schwimmend gelagert. An seinem äußeren Ende, in Querrichtung des Reaktorbehälters gesehen (siehe Figur 3) ist das Siebblech 20 zwischen dem umlaufenden Tragelement 22 und dem Deckblech 23 eingefasst und schwimmend gelagert. In Längsrichtung des

Reaktorbehälters 10 gesehen, endet das Siebblech 20 ebenfalls vor der Wandung des Reaktorbehälters, so dass auch hier Bewegungsspielraum bei Wärmeausdehnung des Siebblechs 20 gegeben ist. Auf dem Siebblech 20 liegt zunächst ein Drahtgewebe 28 auf (siehe Figuren 3 und 4), auf dem dann wiederum das Katalysatorbett 14 gelagert ist.

Auf der Katalysatorschüttung 14 kann eine Schüttung aus Keramik-Kugeln aufgebracht werden, die dazu dienen soll, ein mögliches ungleichmäßiges Absacken der Katalysatorschüttung auszugleichen und ein Aufwirbeln des Katalysators durch den Gasstrom zu verhindern.

Alternativ, gegebenenfalls auch zusätzlich, kann direkt auf die Katalysatorschüttung 14 oder auf die Keramikkugeln ein Lichtgitter mit darunter angebrachtem Maschen-Drahtgewebe aufgelegt werden. Diese dienen zum einen als Niederhalter der Katalysatorschüttung, zum anderen kann durch die Verwendung von Lichtgittern zusätzlich noch eine Gasströmungs- Gleichrichtung erzielt werden (das Gas kann nicht quer in die Katalysatorschüttung einströmen, sondern nur senkrecht durch das Lichtgitter).

Bezugszeichenliste 10 Reaktorbehälter 11 Wandung des Reaktorbehälters, Reaktorwandung 12 Konsolen, Tragelemente 13 Wangen

14 Katalysatorbett 15 Achse 16 Einlass 17 Ablenkplatte

18 Auslass 19 Aussteifungsrippen 20 Siebblech 21 Randspalt 22 Tragelement

23 Deckblech 24 Stützelemente 25 Doppelpfeil 26 Hülse, Abstandselement 27 Schlitz, Langloch

28 Drahtgewebe

Claims (16)

Patentansprüche

1. Reaktor mit wenigstens einem Katalysatorbett (14) für die katalytische Behandlung eines Gasstroms, insbesondere Reaktor für die katalytische Behandlung des Restgases zur Reduzierung des Gehalts an Stickstoffoxiden in Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure nach dem Ostwald-Verfahren, wobei das Katalysatorbett (14) sich im Wesentlichen über den Querschnitt des Reaktors erstreckt und das Katalysatorbett von dem zu behandelnden Gas axial durchströmt wird, wobei der Reaktor eine Tragstruktur für das Katalysatorbett aufweist, die mindestens teilweise in dem Reaktor schwimmend gelagert ist, wobei die Tragstruktur ein Siebelement (20) umfasst, sowie radial außenseitig fest mit der Reaktorwandung verbundene Tragelemente (12) unterhalb des Siebelements, wobei das Siebelement (20) eine Auflageebene für das Katalysatorbett (14) schafft und wobei das Siebelement (20) radial außenseitig mit Abstand vor der Reaktorwandung (11) endet, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur neben fest mit der Reaktorwandung (11) verbundenen Tragelementen (12) Stützelemente (24) für das wenigstens eine Siebelement (20) umfasst, welche im Reaktor ebenfalls schwimmend gelagert sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fest mit der Reaktorwandung (11) verbundenen Tragelemente (12) Konsolen umfassen, auf denen die Stützelemente (24) verschieblich aufliegen, wobei auf den verschieblichen Stützelementen (24) wiederum das wenigstens eine Siebelement (20) aufliegt.

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Längsrichtung oder in Umfangsrichtung des Reaktors gesehen jeweils voneinander beabstandete Konsolen (12) vorgesehen sind, auf denen jeweils Stützelemente (20) verschieblich aufliegen, wobei ein oder mehrere Siebelemente (20) auf einem oder mehreren Stützelementen (24) aufliegen.

4. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (24) auf den Konsolen (12) mit zwei Freiheitsgraden der Bewegung in zwei zueinander etwa senkrecht ausgerichteten Richtungen verschieblich aufliegen.

5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (24) in Längsrichtung der Konsolen (12) verschieblich auf den Konsolen aufliegen und in Querrichtung der Konsolen verschieblich auf den Konsolen aufliegen.

6. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsolen (12) in ihrer Querrichtung breiter ausgebildet sind als die Stützelemente (24).

7. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Konsolen (12) Wangen (13) so angebracht sind, dass sie die verschiebliche Bewegung der Stützelemente (24) relativ zu den Konsolen (12) in Querrichtung der Konsolen begrenzen.

8. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (24) mit Abstand vor der Reaktorwandung (11) enden.

9. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei voneinander beabstandete parallele Wangen (13) beidseitig an den Konsolen (12) angebracht sind, wobei die beiden Wangen (13) über ein sich in Querrichtung erstreckendes Abstandselement (26) miteinander verbunden sind.

10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandselement (26) eine kraftschlüssig mit den Wangen (13) verbundene Hülse vorgesehen ist.

11. Reaktor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (24) einen Schlitz aufweisen und das Abstandselement (26) sich in Querrichtung zu dem Stützelement (24) durch den Schlitz hindurch erstreckt.

12. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur zusätzlich zu den Konsolen (12) wenigstens ein an der Reaktorwandung umlaufend angeordnetes und mit dieser verbundenes weiteres Tragelement (22) umfasst, auf dem das wenigstens eine Siebelement (20) mit Abstand zur Reaktorwandung (11) schwimmend aufliegt, so dass ein Randspalt (21) zwischen Siebelement und Reaktorwandung verbleibt.

13. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein umlaufendes Deckblech (23) vorgesehen ist, welches einen Randspalt (21) zwischen dem Siebelement (20) und der Reaktorwandung (11) überdeckt.

14. Reaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der der Reaktorwandung (11) zugewandte randseitige Bereich des Siebelements (20) zwischen dem umlaufenden weiteren Tragelement (22) und dem Deckblech (23) eingefasst ist.

15. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als liegender Reaktor (10) ausgebildet ist, bei dem der Gasstrom, insbesondere das Restgas das Katalysatorbett (14) im Wesentlichen senkrecht oder quer zur Behälterachse (15) durchströmt oder dieser als stehender Reaktor ausgebildet ist, bei dem der Gasstrom, insbesondere das Restgas das Katalysatorbett im Wesentlichen in Achsrichtung oder parallel zur Behälterachse durchströmt.

16. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb oder unterhalb des Siebelements (20) in dem Katalysatorbett (14) etwa vertikal ausgerichtete, sich entlang des Siebelements erstreckende, zueinander beabstandete, etwa vertikale Aussteifungsrippen (19) angeordnet sind.