DD150006A5 - Chemisches verfahren und reaktionsgefaess fuer die durchfuehrung desselben - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Umsetzen von gasfoermigen Ausgangsmaterialien im Kontakt mit einer Feststoffkatalysatorschicht, die in einem vertikalen, zylindrischen Reaktionsgefaesz ausgebildet ist, beschrieben, bei dem die gasfoermigen Ausgangsmaterialien im wesentlichen in radialer Richtung durch die Katalysatorschicht hindurchgefuehrt werden, in der Kuehlrohre senkrecht angeordnet sind. Ein Kuehlmittel wird durch die Kuehlrohre geleitet, um die Waerme abzufuehren, die durch die in der Katalysatorschicht bewirkte Reaktion erzeugt wird, wobei die optimale Temperaturverteilung in der Katalysatorschicht eingestellt wird. Es wird auszerdem ein Reaktionsgefaesz zur Durchfuehrung dieses Verfahrens beschrieben.

Description

2 20171

Anwendungsgebiet der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Umsetzen gasförmiger Ausgangsmaterialien durch Kon- taktieren derselben mit einem Katalysator und ein verbessertes vertikales zylindrisches Reaktionsgefäss zur Durchführung einer derartigen Reaktion.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen.

Eine Umwandlungsreaktion, die durch Kontaktieren eines gasförmigen Ausgangsmaterials mit einem festen Katalysator unter einem geeigneten Druck durchgeführt wird, wird heutzutage zur Synthese von Ammoniak, Synthese vori Methanol, Methanolisierung und anderen verschiedenen Zwecken angewendet. In vielen Fällen ist diese Umwandlungsreaktion eine exotherme Reaktion, die unter einem Druck durchgeführt wird,

2 2 01 71

der höher als Atmosphärendruck ist. Dementsprechend wird die Temperatur des Gases und des Katalysators durch die Reaktionswärme sehr stark erhöht, was zur Verschlechterung der Katalysatorleistungsfähigkeit und -haltbarkeit und Verringerung der Konzentration des erwünschten Produktes wegen des chemischen Gleichgewichtes führt. Daher sollte solch eine

^der ,Temperatur.

übermässige Erhöhung / des Gases und des Katalysators vermieden werden, und es sind bisher bereits viele Kunstgriffe angewendet worden, um dieses Ziel zu erreichen.

Ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Entfernung der Reaktionswärme ist, die Reaktionswärme zum Vorerhitzen eines Ausgangsgases zu verwenden, das der Katalysatorschicht zugeführt werden soll. Spezieller wird gemäss diesem Verfahren Wärmeaustausch zwischen einem Gas hoher Temperatur, das in der Katalysatorschicht vorhanden ist oder von der Katalysatorschicht abströmt, und einem Gas niedriger Temperatur, das in die Katalysatorschicht eingeführt wird, durchgeführt, um die Temperatur des in die Katalysatorschicht eingeführten Gases auf ein Niveau zu erhöhen, das zum Ingangsetzen der Reaktion notwendig ist. Im allgemeinen wird der Wärmeaustausch unter im wesentlichen dem gleichen Druck wie dem Reaktionsdruck durchgeführt, und ein Katalysator und ein Gas-Gas-Wärmeaustauscher werden in einem Reaktionsgefäss angeordnet.

Bei diesem Verfahren zum Vorerhitzen des eingeführten Gases durch Verwendung der Reaktionswärme ist die Reaktionswärmemenge grosser als die Wärmemenge, die zum Vorerhitzen notwendig ist, und in der Katalysatorschicht ist die Temperatur auf der Ausfluss-Seite viel höher als die Temperatur auf der Einleitungsseite. Daher kann kein zufriedenstellender Vorteil in Bezug auf die oben beschriebene Katalysatoraktivitfit oder das chemische Gleichgewicht erreicht werden. Dartiber hinaus besitzt dieses Verfahren den Nachteil, dass eine weitere Apparatur notwendig ist, um die überschüssige Reaktionswärme ausreichend zurückzugewinnen, und der Grad

- 3 - . 2 2 01 71

der rCickgewonnenen Wärmeenergie wird reduziert.

Ein anderes Verfahren zum Abführen der Reaktionswärme, das häufig angewendet wird, ist, die Reaktionswärme durch Verdampfen einer Flüssigkeit unter einem geeigneten Druck zu entfernen. Als Flüssigkeit, die verdampft werden soll,* wird aus praktischen Gründen meistens Wasser bevorzugt, obgfleich Dowtherm oder eine Kohlenwasserstoffmischung mit einem geeigneten Siedepunkt ebenfalls verwendet werden kann. - **

Bei diesem Verfahren ist es wesentlich, dass die Flüssigkeit unter einem Druck verdampft wird, der einen geeigneten Siedepunkt liefert, der niedriger als die Katalysatortemperatur ist, um übermässige Erhöhung der Temperatur des Katalysators zu vermeiden, und die Reaktionswärme wird durch die Verdampfung der Kühlflüssigkeit abgeführt. Im allgemeinen ist der Druck der Kühlflüssigkeit niedriger als der Druck des Gases, und es wird ein Reaktlönsgefäss mit einem Aufbau verwendet, wie es in Figur 1 gezeigt ist, in der der senkrechte Querschnitt eines derartigen Gefässes dargestellt ist.

In dieser Figur 1 sind die obere Röhrenplatte 2 und die untere Röhrenplatte 3 gasdicht an einer Druckwandung 1 befestigt, und eine grosse Anzahl von Rohren 5 sind gasdicht an diesen Röhrenplatten 2 und 3 befestigt. Ein Netz 4 ist unterhalb der Röhrenplatte 3 angeordnet, um einen Katalysator zu tragen, und eine Katalysatorschicht 6 ist an der Innenseite der einzelnen Rohre 5 gepackt. Ein Gas,das auf einen Reaktionsdruck verdichtet und auf eine geeignete Temperatur vorerhitzt ist, wird von einem Gaseinlass 7 eingeführt, strömt durctt die Katalysatorschicht 6 und wird der nächsten Stufe von einem Gasauslass 8 zugeführt. Während das Gas durch die Katalysatorschicht geleitet wird, findet die Umwandlungsreaktion statt, und die durch die Reaktion erzeugte Wärme wird durch die Katalysatorschicht 6 und die Wandung der einzelnen Rohre 5 an eine Kühlflüssigkeit übertragen, die von einem Kühlflüssigkeitseinlass θ in einen Raum zwischen der Druckwandung 1

2201 71

und den Itöhrenplatten 2 und 3 ausserhalb der Rohre 5 eingeleitet wird, und di.e Reaktionswärme wird durch Sieden und Verdampfen der Kühlflüssigkeit abgeführt. Die Kühlflüssigkeit wird von einem Auslass 10 in Form eines Dampfes oder einer FlUssigkeits-Dampf-Mischung abgelassen, und die Wärme, die dem Dampf oder der FlUssigkeits-Dampf-Mischung innewohnt, wird zur Erzielung eines gewünschten Zweckes verwendet, z.B. um eine Turbine für die Kompression des Ausgangsgases anzutreiben. Das Reaktionsgefäss dieses Kühlflüssigkeitsverdampfungstyps ist vorteilhaft gegenüber dem oben beschriebenen Reaktionsgefäss vom Gas-Gas-Wärmeaustauschtyp in Bezug auf die Verhinderung übermässiger Erhöhung der Temperatur des Katalysators und wirksamer Ausnutzung der Reaktionswärme.

Vom Standpunkt der in jüngster Zeit angestiegenen Wichtigkeit der Energieeinsparung und der Notwendigkeit, die Grosse eines Einzel - Reaktors zu erhöhen, treten jedoch neue Probleme in dem Reaktionsgefäss vom KühltlUssigkeitsverdampfungstyp auf.

Das erste Problem ist, dass zur Erhöhung des Grades der wirksamen Ausnutzung der Reaktionswärme eine höhere Dampftemperatur und ein höherer Dampfdruck wünschenswert sind. Wenn beispielsweise der erzeugte Dampf Wasserdampf ist und dieser in eine Turbine eingeleitet und in eine mechanische Energie

2 2

umgewandelt wird, wird auf 100 kg/cm G (100 kg/cm überdruck

über Atmosphärendruck) und 480°C gehaltener Wasserdampf auf 40 kg/cm G (d.h. 40 kg/cm überdruck über Atmosphärendruck) expandiert, wodurch eine Energie von etwa 50 kWh pro Tonne Dampf rückgewonnen wird. Wenn jedoch der Druck des erzeugten

ο Dampfes 40 kg/cm G beträgt, wird die Energie, die diesem Dampfdruck entspricht, nicht zurückgewonnen. Der in Figur 1 gezeigte Aufbau ist nicht für ein Reaktionsgefäss im grossen Masstab geeignet, wenn der hohe Druck des erzeugten Dampfes erwünscht ist.

Das zweite Problem ist, dass der Reaktionsdruck verringert wird. Bei der Herstellung von Ammoniak oder Methanol wird

2 2 0171

° 2

beispielsweise ein Druck von 100 bis 300 kg/cm G (d.h. 100

bis 3OO kg/cm Überdruck über Atmosphärendruck) für die Umwandlungsreaktion angewendet . Hierbei ist es notwendig, das

2 Ausgangsgas von einem Druckniveau von 20 bis 40 kg/cm G

2 (d.h. 20 bis 40 kg/cm Überdruck über Atmosphärendruck) bei dem Gaserzeugungsverfahrensschritt auf ein Niveau von 100

2 '

bis 300 kg/cm G zu komprimieren. Wenn der Druck für die Um-

2 Wandlungsreaktion auf unter 100 kg/cm G verringert wird, kann die Energie, die für diese Kompression notwendig ist, merklich verringert werden. Aus Gründen des chemischen Oleichgewichtes ist Verringerung des Reaktionsdruckes möglich, wenn ein Katalysator mit einer hohen Aktivität bei einer niedrigen Temperatur zur Verfügung steht. Es ist weiterhin auch bekannt, dass, je niedriger die Temperatur und der Druck für die Umwandlungsreaktion sind, um so grosser die Menge der durch die Reaktion erzeugten Wärme ist und das Verschlechterung der Aktivität durch übermässige Erhöhung der Temperatur in einem Katalysator, der die katalytische Wirkung bei einer niedrigen Temperatur ausübt, auffällig ist. Um dieses zweite Problem zu lösen, ist es dementsprechend notwendig, den Querschnittsbereich des Gasdurchgangsweges für die Strömung eines Niedrigdruck- und Hochvolumen-Ausgangsmateria lgases zu erhöhen und die Temperaturinnenseite der Katalysatorschicht vollständig zu kontrollieren und zu steuern. Dies kann jedoch kaum mit einem Aufbau des Reaktionsgefässes erreicht werden, das eine in einem Rohr angeordnete Katalysatorschicht enthält, wie es in Figur 1 gezeigt iet.

Das dritte Problem entsteht mit dem Anwachsen der Grosse eines Einzelreaktors. Spezieller gesagt, ist es bei dem in Figur 1 gezeigten Reaktionsgefäss notwendig, um Lecks zwischen dem Kühlmedium und dem Reaktionsausströmgas, dessen Druck wechselt, zu vermeiden, die Rohre 5 gasdicht an den Röhrenplatten 2 und 3 zu befestigen und auch die Röhrenplatten 2 und 3 gasdicht an der Druckwandung 1 durch Schweissen oder andere Mittel zu befestigen. Da jedoch die Temperatur

2 20171

—' 6 —

der Rohre 5 von der Temperatur der Druckwandung 1 verschieden 1st, ändert sich die vertikale Länge zwischen den Röhrenplatten 2 und 3 aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnung im Laufe des Betriebs. Selbst wenn ein Metallmaterial mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der im wesentlichen gleich dem des Materials der Druckwandung 1 ist , für das Rohr 5 verwendet wird, wie es in der Japanischen Patentanmeldungs-Off enlegungsschrift (Patent Application Laid-Open Specification) No. 49707/73 beschrieben ist, wird eine hohe Wärmebeanspruchung in den Röhrenplatten 2 und 3 hervorgerufen. Diese thermische Beanspruchung wird vergrössert, wenn der Durchmesser und die Länge des Reaktors vergrössert wer~ den. Daher wird die Konstruktion eines Reaktors grosser Grosse schwierig.

Koch ein anderes Problem ist, dass, wen» der Druck auf der KUhlmediumseite erhöht wird und der Druck auf der Auslaufseite im Hinblick auf Energieeinsparung, wie oben erwähnt wurde, erniedrigt wird, es dann notwendig ist, die Dicke jeweils in der Druckwandung 1, den Röhrenplatten 2 und 3 und den Rohren 5 zu erhöhen, was zu ei.nem schwerwiegenden wirtschaftlichen Nachteil im Falle eines Reaktionsgefässes grosser Abmessungen führt.

Ziel der Erfindung.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zu schaffen, bei dem gasförmige Ausgangsmaterialien im Kontakt mit einem festen Katalysator umgesetzt werden.

Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren für katalytische Gasphasenreaktion zu schaffen, bei dem eine verbesserte Wärmerückgewinnung durchgeführt werden kann.

Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbes-

2 2 0171

sertes Verfahren für katalytische Gasphasenreaktion zu schaffen, bei dem die optimale Temperaturverteilung in der Katalysatorschicht erreicht werden kann.

Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Reaktionsgefäss zum Umsetzen gasförmiger Ausgangs-

.-i * ·. · .

naterialien im Kontakt mit einem Katalysator zu schaffen.

Ee ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Reaktionsgefäss für katalytische Gasphasenreaktion zu schaffen, das ein verbessertes Wärmerückgewinnungssystem mit verbessertem Wirkungsgrad der Ausnutzung der Reaktionswärme einschliesst.

Schlieeslich ist es, eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Reaktionsgefäss für katalytische Gasphasenreaktion zu schaffen, in dem die optimale Temperaturverteilung in der Katalysatorschicht erreicht werden kann.

Weitere Aufgaben und Ziele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung.

Darlegung des Wesens der Erfindung.

Gemäss der vorliegenden Erfindung werden das folgende Verfahren für katalytische Gasphasenreaktion und eine Vorrichtung zur Durchführung desselben geschaffen: Ein Verfahren zum Umsetzen gasförmiger Ausgangsmaterialien im Kontakt mit der festen Katalysatorschicht, die in einer vertikalen zylindrischen Reaktionszone ausgebildet ist, das das Hindurchleiten der gasförmigen Ausgangsmaterialien in radialer Richtung durch diese Katalysatorschicht, wobei längliche KUhlzonen mit einem kleinen Durchmesser in vertikaler Richtung angeordnet sind, und dae Hindurchleiten eines Kühlmediums durch diese KUhlzonen umfasst, um die Wärme abzuleiten, die durch die in dieser Katalysatorschicht bewirkte Reaktion erzeugt wird, um dadurch die optimale Temperaturverteilung in dieser Katalysator-

220171

schicht zu erreichen.

Ausführungsbeispiele.

Die Erfindung wird nun im einzelnen durch Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung, die den senkrechten Schnitt durch ein bekanntes Reaktionsgefäss darstellt (Stand der Technik);

Figur 2 eine Darstellung, die den senkrechten Schnitt einer Ausführungsform des Reaktionsgefässes nach der vorliegenden Erfindung zeigt;

Figur 3 eine vergrösserte Ansicht, die ein Beispiel für die Anordnung der mittleren und am Umfang gelegenen Katalysatoraufnahmeteile in dem in Figur 2 gezeigten Reaktionsgefäss darstellt;

Figur 4 eine Ansicht, die den horizontalen Schnitt eines Ausführungsbeispiels des in Figur 3 gezeigten am Umfang gelegenen Katalysatoraufnahmeteils zeigt;

Figur 5 eine Ansicht, die Beispiele für den Aufbau der am Umfang gelegenen und der mittleren Katalysatoraufnahmeteile zeigt;

Figur 6 eine Ansicht, die den horizontalen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des mittleren Katalysatoraufnahmeteiles zeigt;

Figur 7 eine Ansicht,die den senkrechten Schnitt durch den mittleren Katalysatoraufnahmeteil zeigt, und

Figur 8 eine Darstellung, die eine spezifische Ausführungsform zeigt, in der ein Vorerhitzungswärmeaustauscher für Ausgangsgas in dem Raum des mittleren Abschnittes

2 2 0171

des Reaktionsgefässes gemäss der vorliegenden Erfindung angeordnet ist.

Die Grundzüge des Reaktionsgefässes gemäss der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben. Ein Ausgangsgas, das auf einen notwendigen Druck komprimiert und auf eine geeignete Temperatur vorerhitzt ist, wird von einem Gaseinlass 7 in ein zylindrisches Reaktionsgefäss eingeführt. Nachdem der Druck in einem Raum 13, der durch eine Trennwand 22 in dem Abschnitt innerhalb einer Druckwandung 1 begrenzt ist, gleichmässig gemacht worden ist, wird das Gas durch viele Löcher hindurchgeleitet, die auf einem am Umfang angeordneten Katalysatoraufnahmeteil oder einem Urafangskatalysatorträger 4-0 ausgebildet sind, der nahe der inneren Seite der Druckwandung 1 angeordnet ist, während es (das Gas) in einem Raum mit einem kreisringförmigen horizontalen Querschnitt auf der Seite der inneren Fläche der Druckwandung 1 absinkt. Dann wird das Gas in Katalysatorechichten eingeleitet, die sich in Räumen gepackt befinden, die unter einer grossen Zahl von vertikal angeordneten Kühlrohren ausgebildet sind, und die Umwandlungsreaktion wird durchgeführt, während sich das Gas im wesentlichen horizontal in Richtung auf die Mitte bewegt. Dann wird das umgesetzte Gas durch Löcher hindurchgeleitet, die auf einem inneren Katalysatoraufnahmeteil oder inneren Katalysatorträger 4-1 ausgebildet sind, der angrenzend an die innere Seite der Kühlrohre der Gruppe, die dem Mittelpunkt des Reaktionsgefässes am nächsten liegen, angeordnet sind. Das Gas wird in einen mittleren Raum 14, in dem der Druck gleichmässig gemacht wird, und der in dein mittleren Abschnitt des Reaktionsgefässes ausgebildet ist und von dem oberen Raum durch die Trennplatte 21 abgetrennt ist, aufgesammelt und durch einen Oasauslass 8 von dem Reaktionsgefäss abgelassen. Ein Kühlmittel, das auf einer gewünschten Temperatur und einem gewünschten Druck gehalten wird, wird von einem Einlass 9 in Form eines aufsteigenden Stromes in ein kreisringförmiges

- «> - .2 2 01 71

erstes Verteilerrohr 17 eingeleitet und wird dann verteilt und durch Rohre 23, die mit dem ersten Verteilerrohr 17 verbunden sind, in eine Anzahl zweiter Verteilerrohr 18 eingeführt, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dann steigt das Kühlmittel in einer grossen Anzahl von Kühlrohren 15, die mit den zweiten Verteilerrohren 18 verbunden sind, nach oben. Das in den einzelnen Kühlrohren 15 aufsteigende Kühlmittel absorbiert die Wärme, die durch die Umwandlungsreaktion in der ausserhalb der Kühlrohre 15 gelegenen Katalysatorschicht erzeugt wird, und ein Teil des Kühlmittels wird verdampft und es wird eine Gas-Flüssigkeits-Mischung gebildet. Dann wird die Gas-Flüssigkeits-Mischung in eine grosse Anzahl von Sammelrohren 19 eingeführt, die konzentrisch über dem Katalysatorbett angeordnet sind, und durch Rohre 24, die mit den ersten Sammelrohren 19 verbunden sind, in einem zweiten Sammelrohr 20 aufgesammelt. Dann wird das Kühlmittel durch einen Kühlmittelauslass 10 von dem Reaktionsgefass abgelassen. Das von dem Reaktionsgefäse entnommene Kühlmittel, das in Form einer Gas-Flüssigkeits-Mischung vorliegt, wird in eine Gas-Flüssigkeits-Trennanlage eingeleitet und wird dort in Dampf und Flüssigkeit aufgetrennt. Die Flüssigkeit wird, ohne gekühlt zu werden, für die Rückzirkulation zu dem Einlass 9 zurückgeführt, was entweder erzwungenermassen durch Verwendung einer Pumpe oder auf natürliche Weise durch die Schwerkraft ohne Verwendung einer Pumpe geschieht. Der hohe Druck und die hohe Temperatur des abgetrennten Dampfes werden für einen gewünschten Zweck ausgenutzt. Da dieser Verfahrensschritt nach einem bekannten Verfahren durchgeführt wird, ist dieser Schritt in der Figur 2 weggelassen.

Charakteristische Merkmale der vorliegenden Erfindung, die im vorstehenden umrissen wurden, werden nun im einzelnen näher beschrieben.

Das erste charakteristische Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass, obgleich Röhrenbündel zum Abführen der Reak-

. .u- 2201 71

tionswärme verwendet werden, keine Röhrenplatten verwendet werden. Wenn Röhrenplatten in der oben beschriebenen Anordnung von Kühlrohren gemäss der vorliegenden Erfindung ver wendet würden, müsste ein dickes Material hoher Qualität mit einer hohen Zug- bzw. Zerreissfestigkeit für dieRöhren- platten verwendet werden, und es wären mühsame Verrichtungen wie beispielsweise das Ausformen von Durchgangslöchern in den Röhrenplatten, das Einfügen der Rohre in diese Durchgangslöcher und das Verschweissen der Röhrenplatten mit einer Druckwandung erforderlich. Bei der vorliegenden Erfindung kann das für di?e Röhrenplatten zu verwendende Material ein-

' . .",...

gespart werden und weiterhin kann die Anzahl der Verarbeitungsechritte verringert werden.

Das zweite charakteristische Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass der KUhlungsdurchgangsweg, der hauptsächlich durch röhrenförmige Glieder aufgebaut ist, nicht an der Druckwandung befestigt werden muss, und bekannte Leck ver hindernde teleskopartige Vorrichtungen des Stopfbuchsen- eyetems oder Dehnungsbalgsystents sind nur in dem Teil ange- ordnet, in dem der Kühlmitteleinlass 9 und der Auslass IO den oberen und den unteren Deckel der Druckwandung 1 durch- stossen. Da der Durchmesser dieses Teiles viel kleiner als der Durchmesser der Verbindung der Röhrenplatte 2 oder 3 mit der Druckwandung 1 ist, wo solch eine teleskopartige Vorrichtung vorgesehen werden müsste, kann das Vorsehen einer derartigen teleskopartigen Vorrichtung bei der vorliegenden Erfindung in bemerkenswerter Weise vereinfacht werden. Daher ist es nicht notwendig, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Wärmeaustauschrohre gleich demjenigen des Materials der Druckwandung gemacht werden müsste.

Das dritte charakteristische Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die Temperatur der entsprechenden Stellen der Katalysatorschicht entlang der Strömungsrichtung des Gases, d.h. die Temperaturverteilung, viel näher an einen optimalen Wert angenähert werden kann als bei dem herkömmlichen Reak-

220171

tionsgefäss, das in Figur 1 gezeigt ist. Spezieller steht in dem bekannten Reaktionsgef äss, das in Figur 1 dargestellt ist j die äussere Fläche der einzelnen Rohre 5 in Kontakt mit dem Kühlmittel, das auf der Siedetemperatur gehalten wird, und die Differenz des Siedepunktes an den betreffenden Stellen in vertikaler Richtung ist sehr klein. Daher ist es unmöglich, das Reaktionsgefäss so auszulegen, dass die Temperatur jeder Stelle in der Katalysatorschicht auf einem gewünschten Niveau gehalten wird, da die Wärmeübergangsbereiche an den entsprechenden Stellen im wesentlichen gleich sind, obgleich die durch die Reaktion erzeugte Wärmemenge an den entsprechenden Stellen variiert, wie das Gas in der Katalysatorschicht 6 jeweils in den einzelnen Rohren 5 strömt. Im Gegensatz dazu kann bei dem Reaktionsgefäss gemäss der vorliegenden Erfindung, da das Gas durch die Katalysatorschicht in der horizontalen Richtung strömt, wobei es die Kühlrohre 15 im wesentlichen unter einem rechten Winkel kreuzt, die Temperaturverteilung an den entsprechenden Katalysatorstellen entlang des Gasstromes durch geeignetes Auslegen der Durchmesser und Anzahl der Kühlrohre auf einem optimalen Niveau gehalten werden, indem die Kühlrohre an den entsprechenden Katalysatorstellen angeordnet werden, die sich /Ln ihrem Abstand von dem Mittelpunkt des Reaktionsgefässes unterscheiden, um Differenzen der katalytischen Aktivität unter den entsprechenden Katalysatorstellen zu erzeugen. Dieses charakteristische Merkmal ist sehr wichtig und führt zu dem Vorteil, dass eine bestimmte Menge eines Gases mit einer hohen Umwandlungsrate bei Verwendung einer reduzierten Menge des Katalysators umgesetzt werden kann und die Grosse des Reaktionsgefässes ebenfalls verringert werden kann.

Das vierte charakteristische Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass dann, wenn der Druck des Gases für die Umwandlungsreaktion reduziert wird und der Druck des Kühlmittels erhöht wird, um Energie zu sparen, wie es vorstehend beschrieben wurde, die Materialdicke sowohl der Druckwandung 1 als auch der Kühlrohre 15 viel kleiner als bei dem in Figur 1 ge-

2 2 0171

zeigten Aufbau gemacht werden kann und die Materialkosten erheblich gesenkt werden können.

Das iünfte charakteristische Merkmal der vorliegenden Erfindung ist , dass sowohl das Einbringen bzw. Packen als auch das Entnehmen des Katalysators sehr einfach durchgeführt werden kann. In dem in Figur 1 gezeigten Aufbau wird, wenn der Katalysator beim Packen des Katalysators oberhalb der Röhrenplatte 2 vorhanden ist, das Kühlen des Katalysators an dieser Stelle unzulänglich, und die Temperatur wird an dieser Stelle erhöht, was zu einem schlechten Einfluss auf die Aufrechterhaltung der Festigkeit der Röhrenplatte führt. Wenn die Mengen des Katalysators, der in die entsprechenden Rohre 5 gepackt ist, nicht gleichmässig sind, werden Ablenkungen in dem Gasstrom verursacht. Dementsprechend ist es bei dem herkömmlichen Reaktionsgefäss notwendig, den Katalysator In abgemessenen gleichen Mengen zu den jeweiligen Rohren zu packen. Im Gegensatz dazu ist der Abstand zwischen den Urafangaflächen von jeweils zwei benachbarten Rohren bei dea Reaktiorisgefäss gemäss der vorliegenden Erfindung grosser als der Durchmesser der Katalysatorteilchen. Wenn ein Katalysator eine übliche Teilchengrösse besitzt, kann das Packen leicht nur durch Einführen einer notwendigen Menge des Katalysators von einer Katalysatorzuführungsöffnung 25, die in Figur 2 gezeigt ist, durchgeführt werden. Selbst wenn der Katalysator in dem oberen Raum über dem ersten Sammelrohr 19 bei dem Packungsverfahrensschritt vorhanden ist, wird keine Störung verursacht, da das Gas kaum durch diesen Raum strömt, and eine bestimmte Kühlkapazität durch das Rohr 24 sichergestellt ist. Bei dem Katalyeatorentnahme-Verfahrensschritt ist es bei dem in Figur 1 gezeigten herkömmlichen Reaktionsgef äss sehr schwierig, das Eindringen einer grossen Katalysatormenge in eine Gasentnahmeleitung mit grossem Durchmesser, die mit dem Gasauslass 8 verbunden ist, zu verhindern, wenn das den Katalysator aufnehmende Netz 4 herausgenommen wird, selbst wenn die Anbringungsstelle des Gasauslasses

220171

geändert wird und die Katalysatorentnahmeöffnung in dem untersten Teil vorgesehen wird. Daher ist es notwendig, die Gasentnahmeleitung grossen Durchmessers herauszuführen und den Katalysator von dieser Leitung abzuziehen. Im Gegensatz dazu müssen in dem Reaktionsgefäss gemäss der vorliegenden Erfindung solche unangenehmen Massnahmen nicht durchgeführt werden, und der Katalysator kann direkt durch die Katalysatorentnahmeöffnung 26 von dem Reaktionsgefäss entnommen werden.

Typische Merkmale von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun im einzelnen beschrieben. Das erste typische Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Durchgangsrichtung des Gases durch die Katalysatorschicht. Bei der vorliegenden Erfindung kann nicht nur eine Ausführungsform, bei der das Gas im wesentlichen in horizontaler Richtung vom Umfangsteil in Richtung auf den Mittelpunkt durch die Katalysatorschicht geleitet wird, wie es im vorstehenden beschrieben wurde, sondern auch eine Ausführungsform, bei der das Gas durch die Katalysatorschicht in umgekehrter Richtung, d.h. im wesentlichen in der horizontalen Richtung vom Mittelpunkt in Richtung auf den Umfangsteil, geleitet wird, angewendet werden. Ob die erstere Ausführungsform oder die letztere Ausführungsform angewendet werden sollte, wird nach verschiedenen Faktoren wie beispielsweise der Art der Haupt- und Nebenreaktionen, der Abhängigkeit der chemischen Gleichgewichtsendkonzentrationen der Produkte dieser Haupt- und Nebenreaktionen von dem Druck und der Temperatur, dem Grad des Einflusses der Durchflussrate, der Temperatur und Zusammensetzung des Gases auf die katalytische Aktivität zur Beschleunigung der Haupt- und Nebenreaktionen, der Temperatur des Gases an dem Einlass der Katalysatorschicht und den Wärmemengen, die an den entsprechenden Stellen der Katalysatorschicht erzeugt und abgeführt werden, bestimmt. Durch Anwendung der spezifischen Anordnung von Kühlrohren, die noch später beschrieben wird, kann eine optimale Temperaturverteilung in der

.: „·. 220171

Katalysatorschicht entlang der Gasströmungsrichtung in Abhängigkeit von diesen Faktoren bestimmt werden, die die Menge des Katalysators minimalisiert, die zum Erzielen einer beabsichtigten Konzentration des Produktes am Auslass der Katalysatorschicht notwendig ist. Mit anderen Worten, <§s ist durch die vorliegende Erfindung möglich, die Grosse des Reaktionsgefässes zu reduzieren. Beispielswelse nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit bzw. -rate mit dem Fortschreiten der Reaktion ab, wenn das Gasvolumen mit dem Fortschreiten der Reaktion verringert wird oder wenn die Katalysatoraktivität mit Erhöhung des Gases, das durch die Katalysatorschicht hindurch strömt, drastisch reduziert wird, wie es allgemein bekannt ist. Wenn diese Tatsache in Betracht gezogen wird, sieht man, dass dann, wenn das gleiche Umwandlungsprodukt von dem Ausgangsgas durch Verwendung des gleichen Katalysators in dem herkömmliehen, in Figur 1 gezeigten Reaktionsgefäss erhalten wird, die Katalysatoraktivität nicht wirksam ausgenutzt werden kann, da die Geschwindigkeit des hindurchströmenden Gases in dem EinfUhrungsabschnitt der Katalysatorschicht hoch ist, wo die Konzentration des Produktes sehr niedrig ist, und obgleich die Durchströmgeschwindigkeit des Gases in dem Auslassabschnitt der Katalysatorschicht abgesenkt wird, ist es notwendig, die Menge des in diesen Abschnitt gepackten Katalysators zu erhöhen, da es unmöglich ist, die Reaktionsgeschwindigkeit wegen des Ansteigens der gebildeten Menge des Reaktionsproduktes zu erhöhen. Da weiterhin bei dem in Figur 1 gezeigten herkömmlichen Aufbau in dem Einlassabschnitt, wo eine relativ hohe Wärmemenge erzeugt wird, der Kühlwärmeübergangsbereich pro Gasmengeneinheit kleiner als der Kühlwärmeübergangsbereich in dem Ablassabschnitt ist, wo die Reaktionswärmemenge klein ist, wird, wenn ein Wärmeübergangsflächen-optimum für den Einlassabschnitt angestrebt wird, die Wärmeübergangsfläche in dem Ablassabschnitt übermässig gross, und daher entsteht •in Verlust entweder für die Katalysatormenge oder für den Wärmeübergangsbereich (d.h.die Wärmeübergangsfläche).

. ie - 2 201 71

Wenn im Gegensatz dazu für das Reaktionsgefäss die Ausftihrungsforra gemäss der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bei der das Gas von dem Umfangsabschnitt in Richtung auf den Mittelpunkt durch die Katalysatorschicht geleitet wird, wird im Anfangsstadium des Gasdurchganges durch die Katalysatorschicht die Katalysatorwirkung äusserst wirksam bei einer niedrigen Gasgeschwindigkeit ausgeübt und die Reaktion wird mit einer kleineren Katalysatormenge beschleunigt als in dem herkömmlichen, in Figur 1 gezeigten Reaktionsgefäss, und ein hinreichend grosser Wärmeübergangsbereich pro Gasmengeneinheit ist zum Abführen der Wärme, die durch die Reaktion erzeugt wird, gewährleistet. Weiterhin kann an jeder Stelle in der Katalysatorschicht ein optimaler WärraeUbergangsbereich eingestellt werden, da das Reaktionsgefäss so ausgelegt ist, dass die Menge des Katalysators und des Wärmeübergangsbereiches mit Abnahme des Gasvolumens und der erzeugten Reaktionswärme entsprechend dem Fortschreiten der Reaktion abnehmen. Die Temperaturverteilung in der Katalysatorschicht kann wahlweise eingestellt werden. Spezieller kann eine Temperaturverteilung, die die Menge des Katalysators und den Wärme-Ubergangsbereich, die zum Erzielen einer bestimmten Menge des Umwandlungsproduktes insgesamt notwendig sind, minimalisiert, entsprechend der Art der chemischen Reaktionen und der Eigenschaften des Katalysators realisiert werden, die wiederum ihrerseits in engem Zusammenhang mit dem Aufbau des Reaktionsgefässes stehen, wie vorstehend bereits erläutert wurde. Darüber hinaus kann die Grosse des Reaktionsgefässes verringert werden. Wenn die Xnderung der chemischen Gleichgewichtskonzentration des Umwandlungsproduktes mit der Änderung der Temperatur klein ist, die Verringerung des Gasvolumens mit Fortschreiten der Reaktion klein ist oder die 'Änderung der Katalysatorwirksamkeit mit der Änderung der Durchströmgeschwindigkeit des Gases klein ist, wird eine andere Ausfuhrungsform angewendet, bei der das Gas vom Mittelpunkt zum Umfangsabschnitt durch die Katalysatorschicht

- π - 2 2 0171

geleitet wird. In dieser Ausführungsform wird die Temperatur des Gases, das dem Mittelabschnitt zugeführt wird, auf einem Niveau gehalten, das vom Standpunkt der Katalysatoraktivität so niedrig wie gerade noch zulässig ist, und es sind keine Kühlrohre in dem Abschnitt nahe des Gaseinlasses in der Katalysatorschicht angeordnet, es sind jedoch Rohre an Stellen angeordnet, die auf die Stelle folgt, wo die Gastemperatur durch die Reaktionswärme auf ein oberes erlaubtes Niveau für den Katalysator erhöht wird, so dass weiterer Anstieg der Gastemperatur an diesen Katalysatorstellen verhindert wird. Durch diese Anordnung wird die Geschwindigkeit des Gases, das durch die Katalysatorschicht hindurchströmt, an der Bndstufe der ,Reaktion verringert, wo die Konzentration des Umwandlungsproduktes erhöht ist, mit dem Ergebnis, da,ss die Reaktion in einer kurzen Zeit fertiggestellt werden kann und die Menge des Katalysators und der Wärmeübergangs bereich reduziert werden können.

Das zweite spezifische Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Anordnung von KÜhlrohfen. Wie bereits oben schon beschrieben wurde, sind bei der vorliegenden Erfindung die Kühlrohre entsprechend der Art der Umwandlungsreaktion und der Eigenschaften des verwendeten Katalysators so angeordnet, dass eine optimale Temperaturverteilung entlang der radialen Richtung in der Katalysatorschicht erhalten werden können. In diesem Reaktionsgefäes, in dem das Gas in radialer Richtung fliessen gelassen wird, wird es bevorzugt, dass die Durchströmmengen des Oases in den jeweiligen radialen Richtungen gleich sind. Das Vorhandensein von Kühlrohren in der Katalysatorschicht hat einen Einfluss auf das Fliessen des Gases. 'Dementsprechend wird es am meisten bevorzugt, dass Kühlrohre konzentrisch angeordnet sind, um die Durchflussmengen des Gases in allen radialen Richtungen gleichmässig zu machen. Es wird eine geeignete Anzahl konzentrischer

220171

Kreise vorgesehen, auf denen Kühlrohre angeordnet sind, was von der Grosse des Reaktionsgefässes und der Menge der durch die Reaktion erzeugten Wärme abhängt. Der Abstand zwischen dem Umfang der Katalysatorschicht und dem äussersten konzentrischen Kreis, der Abstand zwischen zwei benachbarten konzentrischen Kreisen und der Abstand zwischen dem innersten konzentrischen Kreis and dem innersten Umfang der Katalysatorschicht sollte entsprechend der Art der Umwandlungsreaktion, den Eigenschaften des verwendeten Katalysators und der Auslegefaktoren wie Durchflussrichtung des Gases bestimmt werden, so dass eine optimale Temperaturverteilung in der Katalysatorschicht erzeugt werden kann, und es werden nicht immer gleiche Abstände bei der vorliegenden Erfindung angewendet. Um die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu erhöhen, ist es wichtig, die Anordnungsdichte des Wärmeübergangsbereiches entsprechend der Lage der konzentrischen Kreise einzustellen > indem verschiedene Durchmesser für die Kühlrohre sum Abführen der Reaktionswärme verwendet werden.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, dass die Durchflussmenge des Kühlmittels unter den KUhlrohren, die auf einem konzentrischen Kreis angeordnet sind, gleich sein sollte. Aus diesem Grund ist es nicht erwünscht, dass die Kühlrohre horizontal oder in geneigter Weise angeordnet sind, sondern es wird bevorzugt, dass sie vertikal angeordnet sind.

Das dritte spezifische Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Art der Verwendung des Kühlmittels. Als Kühlmittel kann beliebig ein Gas, eine Flüssigkeit und eine Gas-Flüssigkeits-Mischung bei der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Wenn das Gas verwendet wird, wird die fühlbare Wärme ausgenutzt. Wenn die Flüssigkeit verwendet wird, kann ein Ausnutzungsverfahren für fühlbare Wärme angewendet werden,

2 2 01 71

"bei dem die Temperatur der Flüssigkeit wie Wasser, eine Mischung aus Wasser und einer oder mehreren Flüssigkeiten oder eine Mischung aus anderen Flüssigkeiten als Wasser,erhöht wird, während der flüssige Zustand beibehalten wird, um die Reaktionswärme eu absorbieren, und es kann ein Ausnutzungaverfahren für latente Wärme angewendet werden, bei dem die Flüssigkeit durch Absorption der Reaktionswärme verdampft wird. Wenn die Gas-Flüssigkeits-Mischung verwendet wird, können die oben beschriebenen zwei Verfahren verwendet werden, bei denen die fühlbare Wärme der Flüssigkeit und die latente Verdampfungswärme der Flüssigkeit ausgenutzt werden. Weiterhin können in diesem Fall zwei verschiedene Arten in Betracht gezogen werden; und zwar eine Art, bei der der Flüssigkeitsbestandteil in dem Kondensat aus dem Bestandteil des Gases (Dampf) löslich ist, und eine Art, bei der die Flüssigkeit in dem Kondensat des Dampfes unlöslich ist. Die erste Art ist beispielsweise anwendbar auf eine Kombination aus einer Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit und einem Kohlenwasserstoff gas (Dampf) oder Wasser und Wasserdampf, und die zweite Art ist anwendbar auf eine Kombination aus (WÄSser)-Dampf und einer Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit. Wenn das Verfahren, bei dem die fühlbare Wärme ausgenützt wird, verwendet wird, ist die Temperatur des Kühlmittels am Auslass höher als die Temperatur des Kühlmittels am Einlass, auch wenn das Gas, die Flüssigkeit oder die Gas-Flüssigkeits-Mischung verwendet werden, und es wird eine bestimmte Temperaturdifferenz zwischen den oberen und unteren Abschnitten der Katalysatorschicht erzeugt. Ausserdem ist es bei dem Verfahren, bei dem die fühlbare Wärme ausgenutzt wird, notwendig, das Kühlmittel in einer viel grösseren Menge als bei dem Verfahren, bei dem die latente Wärme ausgenutzt wird, zu verwenden. Daher kann das Verfahren, bei dem die fühlbare Wärme ausgenutzt wird, nur eingesetzt werden, wenn kein besonderer Nachteil entsteht, auch wenn eine bestimmte Temperaturdifferenz zwischen den oberen und unteren Abschnitten der Katalysatorschicht beobach-

2 2 017 1

· ν ν /. ' -. , . ;. . .·. - -20 'W tet wird oder wenn die Menge der Reaktionswärme relativ klein ist.Dementsprechend wird es bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt, das Verfahren anzuwenden, bei dem die latente Verdampfungswärme zum Absorbieren der Reaktionswärme verwendet wird, und das obige Verfahren wird in die Art, bei der die Flüssigkeit und der Dampf ineinander lösbar sind, und die Art, bei der die Flüssigkeit und der Dämpf nicht ineinander lösbar sind, unterteilt, wie es oben bereits angegeben wurde. Diese beiden Arten werden im einzelnen nachfolgend beschrieben.

Wie vorstehend beschrieben wurde, können verschiedene Verfahren in Bezug auf die Art der Verwendung des Kühlmittels unterschieden werden. In jedem Falle ist es jedoch notwendig, den notwendigen Wärmeübergangsbereich zu, reduzieren, worauf vorstehend schon hingewiesen wurde, und um diese Reduzierung zu erzielen, ist es wichtig, dass die Viskosität des Kühlmediums innerhalb des Kühlrohres klein sein sollte. Spezieller gesagt, um die Ziele der vorliegenden Erfindung zu erfüllen, ist es unerlässlich, dass die Viskosität des Kühlmittels niedriger als 1 Poise (0,1 Pa»s ) sein sollte. Wenn die fühlbare Wärme des Kühlmittels ausgenutzt wird, ist es möglich, das Kühlmedium durch das Kühlrohr in Form eines nach unten gerichteten Stromes fliessen zu lassen. Um jedoch das Kühlmittel gleichmässig durch die jeweiligen Kühlrohre zu leiten, wird es bevorzugt, das Kühlmittel in Form eines nach oben gerichteten Stromes sowohl bei dem Verfahren, bei dem die fühlbare Wärme ausgenutzt wird, als auch bei dem Verfahren, bei dem die latente Wärme ausgenutzt wird, strömen zu lassen.

Das vierte spezifische Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Art der Halterung des Katalysators. Wie vorstehend schon angegeben wurde, ist in dem Reaktionsgefäss der vorliegenden Erfindung der Katalysator nicht in dem äussersten Umfangsabschnitt und in dem Mittelab-

2 2 0171

- 21 schnitt vorhanden, und es sollten Räume vorhanden sein, die den Durchgang des Gases in diesen zwei Abschnitten gestatten. Wenn dementsprechend der Katalysator von der in Figur 2 gezeigten Zuführungsöffnung 25 eingebracht wird, sollten Katalysatoraufnahmeteile oder Katalysatorträger so angeordnet sein, dass keine Katalysatorteilchen in diese zwei Räume eindringen. Ein Katalysatorträger sollte jeweils für den Umfangsabschnitt und den Mittelabschnitt angeordnet sein. Die Art der Anordnung des Katalysatorträgers in dem Umfangsabschnitt ist jedoch etwas verschieden von der Art der Anordnung des Katalysatorträgers in dem Mittelabschnitt. Die folgenden drei Verfahren können zum Anordnen des Katalysatorträger in dem Umfangsabschnitt angewendet werden.

Entsprechend dem ersten Verfahren, wie es in Figur 3 gezeigt ist, wird eine zylindrische Platte 4-2 mit Durchgangslöchern 4-4, deren Anzahl und offener Bereich so ausgelegt sind, dass sie den Durchgang der notwendigen Gasmenge gestatten, abnehmbar in dem inneren Umfangsabschnitt der Druckwandung 1 mit einem bestimmten Abstand von der inneren Fläche der Druckwandung mittels einer geeigneten Zahl Halterungsplatten 27 angebracht. Diese Halterungsplatten sind entlang der inneren Umfangsflache der Druckwandung 1 angeordnet und sind voneinander um Abstände beabstandet, die zum Durchgang des Gases notwendig sind. Wenigstens ein Netz 4-3 mit einer geeigneten Maschenzahl (bzw. Siebzahl) ist an der inneren Umfangsfläche oder an der äusseren Umfangsfläche der mit Löchern versehenen Platte 4-2 befestigt, durch das ein Katalysatorträger an dem inneren Umfang der Druckwandung aufgebaut wird. Der untere Abschnitt der zylindrischen, mit Löchern versehenen Platte 4-2 reicht bis zum Bodenkopf der Druckwandung 1, und der obere Abschnitt der mit Löchern versehenen Platte 4-2 erstreckt eich etwas bis Über das obere Ende des ersten Sammelrohres 19 für das Kühlmittel. Um den Kurzschlussdurch-

- 22 - 2 2 01 71

· :

gang des Gases zu verhindern, wird es bevorzugt, dass die Durchgangslöcher 4-4 oder das Netz 4-3 nicht in einem bestimmten Gebiet des oberen oder unteren Abschnittes der mit Löchern versehenen Platte 4-2 angeordnet sind. Bei diesem Verfahren ist der Aufbau des Katalysatorträgers oder Katalysatoraufnahmeteils sehr einfach und leicht, und der Katalysatorträger wird in bequemer Weise angewendet.

Entsprechend dem zweiten Verfahren, wie es in Figur 4 gezeigt ist, wird ein Katalysatoraufnahmeteil oder -träger an den Kühlrohren 15-1 der Gruppe, die auf dem ftussersten konzentrischen Kreis gelegen ist, an deren äusserem oder innerem Umfang im wesentlichen in der gleichen Weise wie bei dem ersten Verfahren angeordnet und befestigt.

Entsprechend dem dritten Verfahren, wie es in Figur 5 gezeigt ist, wird eine mit Löchern versehene Platte 4-2 mit Durchgangslöchern 4-4, deren offener Bereich und deren Anzahl so ausgelegt sind, dass sie den Durchgang der notwendigen Gasmenge gestatten, entlang des zentralen Kreises, des ausseren Umfangskreises oder des Inneren Umfangs der Kühlrohre 15-1 der Gruppe, die auf dem äussersten konzentrischen Kreis gelegen ist, angeordnet, um alle zwei benachbarten Kühlrohre zu verbinden, und ein Netz 4-3 wird an der inneren oder äusseren Seite der mit Löchern versehenen Platte 4-2 in der gleichen Weise wie bei dem ersten oder zweiten Verfahren angebracht.

Bei jedem dieser drei Verfahren können die relativen Befestigungsstellen des Netzes 4-3 und der mit Löchern versehenen Platte 4-2, die in den Figuren 3,4 und 5 gezeigt sind, umgekehrt werden. Entsprechend dem zweiten und dritten Verfahren wird die Verarbeitung und Handhabung zum Aufbau des Katalysatoraufnahmeteils oder Kata-

. - 23 - 2201 71

lysatorträgers erleichtert.

Der Katalysatorträger, der in dem zentralen oder Mittel-.abschnitt angebracht werden soll, wird nun beschrieben. Das Verfahren zum Anbringen des Katalysatorträgers in dem zentralen oder Mittelabschnitt, das in Figur 3 gezeigt ist, entspricht dem ersten Verfahren zum Anbringen des Katalysatorträgers in dem Umfangsabschnitt. Nach diesem Verfahren wird eine geeignete Anzahl von Netzen 4-3 mit einer geeigneten Masdhenzahl an dem äusseren oder inneren Umfangsabschnitt einer perforierten zylindrischen Platte 4-2 mit einer geeigneten Anzahl Löchern 4-4 mit einem geeigneten offenen Bereich und mit einer Trennplatte 21, die an ihrem oberen Abschnitt angebracht ist, befestigt und diese Anordnung wird in den Abschnitt eingepasst, in dem sich die Gasauslassdüse 8 in das Innere der Druckwandung 1 erstreckt, oder an diesem Abschnitt durch Schweissen oder dergleichen befestigt. Dieses Verfahren ist vorteilhaft in Bezug auf die Herstellung und die Handhabung des Katalysatorträgers. Ausserdem können in der Praxis auch Verfahren angewendet werden, die dem zweiten und dem dritten Verfahren zur Anordnung des Katalysatorträgers in dem Umfangsabschnitt entsprechen. Spezieller wird, wie es in Figur 6 gezeigt ist, eine zylindrische, mit Löchern versehene Platte 4-2 mit Durchgangslöchern 4-4, deren Anzahl und offener Bereich so ausgewählt ist, dass der Durchgang der notwendigen Gasmenge ermöglicht wird, entlang des inneren Umfangs oder des äusseren Umfangs der Kühlrohre 15-2 der Gruppe angeordnet, die auf dem innersten konzentrischen Kreis gelegen ist, und ein Netz 4-3 wird auf die innere oder die äussere Seite der mit Löchern versehenen Platte 4-2, daran anstossend, angeordnet, wodurch ein Katalysatorträger für den zentralen oder Mittelabschnitt aufge-. baut- wird. Weiterhin kann ein Verfahren angewendet werden, bei dem Kühlrohre 15-2 der Gruppe, die auf dem innersten konzentrischen Kreis gelegen sind, miteinan-

„ 24 - 2201 71

der durch eine bandartige Platte 4-2 mit einer geeigneten Anzahl von Durchgangs löchern 4_r4 mit einem offenen Bereich in der gleichen Weise wie bei dem Katalysatorträger für den Umfangsabschnitt, der in Figur 5 gezeigt ist, verbunden werden, und ein Netz 4-^3 entlang des äusseren Urafangs oder des inneren Umfangs der Gruppe von Rohren 15-2 befestigt werden, wodurch ein Katalysatorträger für den zentralen oder Mittelabschnitt aufgebaut wird. In jedem dieser Katalysatorträger für den Mittelabschnitt sollte ein Deckel 21, wie es in Figur 7 gezeigt ist, an dem oberen Abschnitt des Katalysatorträger für den Mittelabschnitt befestigt werden. Die lagemässige Beziehung der Durchgangs köcher 4_r4 und wenigstens ein Netz 4-3 in dem unteren und oberen Endabschnitt des Katalysatorträgers für den Mittelabschnitt zu den ersten und zweiten Sammelrohren 19 und 18 ist im wesentlichen die gleiche wie bei dem Katalysatorträger für den Umfangsabschnitt.

Ein erster Vorteil, der durch den Aufbau und die Anordnung der oben beschriebenen Katalysatorträger erzielt wird, ist, dass das Verarbeiten und die Handhabung für die Herstellung erleichtert werden kann, und ein zweiter Vorteil ist, dass der Abstand zwischen jeweils allen zwei benachbarten Rohren 15-1 oder 15-2, die auf dem innersten oder dem äussersten konzentrischen Kreis angeordnet sind, der offene Bereich der Durchgangs löcher» die auf der Platte 4-2 ausgebildet sind, und die Verteilung dieser Durchgangs löcher wahlweise geändert und eingestellt werden können, wobei nur durch Anordnen einer Wandfläche die Menge des hindurchströmenden Gases in Bezug auf jede radiale Richtung der Katalysatorschicht und jede Höhe der Katalysatorschicht gleichmässig gemacht werden kann, ohne dass zwei Wandflächen benutzt werden müssen, die die Katalysatorschicht auf der Seite des Gaseinlasses oder des Gasauslasses, festlegen, wie es in der Japanischen Patentveröffentlichung No. 5925/66 be-

2 2 0171

. - 25 schrieben ist. Wenn das oben beschriebene Katalysator-Packungsverfahren angewendet wird, geschieht es manchmal entsprechend den Eigenschaften des verwendeten Katalysators, dass die Katalysatorteilchen nicht mit einer gleichmässigen Dichte.durch die ganze Katalysatorschicht gepackt werden. In diesem Falle wird es bevorzugt, dass die oben beschriebene Funktion der Steuerung der Gasdurchflussmenge jeder einzelnen der mit Löchern versehenen zylindrischen Platten des Katalysatorträgers für den Mittelabschnitt und den Umfangsabschnitt verliehen wird und dass mit Löchern versehene Zylinder zur Steuerung der Gasdurchflussmenge oder Kühlrohre, die in konzentrischen Kreisen mit einem kleinen Abstand jeweils zwischen zwei benachbarten Rohren angeordnet sind, an einer Stelle oder an zwei Stellen . zwischen dem äusseren Umfang und dem inneren Umfang der Katalysatorschicht angeordnet werden. Die Form und die Konfiguration der auf diesen mit Löchern versehenen Zylindern zur Steuerung der Gasdurchflussmenge ausgebildeten Löcher sind nicht besonders kritisch, aber vom Standpunkt der Erleichterung bei der Herstellung werden runde Löcher bevorzugt.

Das fünfte spezifische Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Anordnung der Verteiler- und Sammelrohre. In einigen Fällen ist die gesamte Anzahl der Kühlrohre 15 klein, aber in vielen Fällen wird eine grosse Anzahl Kühlrohre 15 verwendet. Wenn die gesamte Anzahl der Kühlrohre 15 klein ist_# ist es möglich, all die Kühlrohre zu einem ersten Verteilerrohr 17 zu verbinden, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Demzufolge muss kein zweites Verteilerrohr 18 in diesem Falle vorgesehen werden. Wenn Jedoch eine grosse Anzahl von Kühlrohren 15 angeordnet werden und es unmöglich ist, all diese Kühlrohre zu einem ersten Verteilerrohr 17 zu verbinden, werden zweite Verteilerrohre 18 vorgesehen und eine Teilmenge oder alle der Kühlrohre 15 werden zu diesen zweiten Verteilerrohren

220171

18 geführt und mit diesen verbunden, und die zweiten Verteilerrohre 18 werden mit dem ersten Verteilerrohr 17 durch Verbindungsrohre 23 verbunden. Wenn eine grosse Anzahl Kühlrohre 15 verwendet wird, wird es durch Vorsehen von, dritten und vierten Verteilerrohren in der gleichen Weise, wie es eben beschrieben wurde, möglich, die vorliegende Erfindung auf ein Reaktionsgefäss mit einer sehr grossen Abmessung anzuwenden. In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform sind zweite Verteilerrohre vorgesehen. Die vorliegende Erfindung ist natürlich nicht auf die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform beschränkt. Wenn diese Verteilerrohre vorgesehen werden, wird es bevorzugt, dass die Verteilerrohre entsprechender Gruppen auf konzentrischen Kreisen mit hinreichenden Abständen angeordnet werden, um sie mit den Kühlrohren 15 und den Verbindungsrohren 23 zu verbinden, da dann die Herstellung erleichtert wird und das Reaktionsgefäss in bequemer Weise gehandhabt werden kann. Um das Kühlmittel gleichmässig in einer grossen Anzahl von Kühlrohren 15 zu verteilen, ist es ausserdem wichtig, dass wenigstens zwei Einlassrohre 9 zum Einführen des Kühlmittels zu den ersten Verteilerrohren, wenigstens zwei Verbindungsrohre 23 zum Verbinden der ersten Verteilerrohre, wenigstens zwei Verbindungsrohre 23 zum Verbinden der ersten Verteilerrohre 17 mit zweiten Verteilerrohren und wenigstens zwei Verbindungsrohre zum Verbinden zweiter Verteilungsrohre mit dritten Verteilungsrohren an Stellen vorgesehen und angeordnet werden sollten, die im Hinblick auf die Mittelachse symnetrisch liegen.

Es werden Saramelrohre 19 im wesentlichen in der gleichen Weise, wie es oben in Bezug auf die Verteilerrohre beschrieben worden ist, angeordnet. Wenn die Zahl der Kühlrohre relativ klein ist, können alle Kühlrohre mit einem Sammelrohr verbunden werden. Wenn jedoch eine grosse Anzahl Kühlrohre vorgesehen wird, ist es notwendig, erste,

- 27 - 2 2 0171

zweite und dritte Sammelrohre auf konzentrischen Kreisen anzuordnen und wenigstens ein Verbindungsrohr 24 vorzusehen, um diese Sammelrohre zu verbinden. Vom Standpunkt der Erleichterung der Herstellung oder des Gebrauchs wird es bevorzugt, dass die Anzahl der SammelrOhre allmählich in den entsprechenden Gruppen abnimmt. In der in Figur 2 gezeigten Ausfuhrungsform ist jedoch, um das Kühlmittel gleichmässig in allen Kühlrohren zu verteilen, ein Endsammelrohr 20 vorgesehen, und es wird üblicherweise bevorzugt, dass die Grosse und Gestalt dieses Endsammelrohres 20 so bestimmt werden, dass eine geeignete Durchflussrate in diesem Endsammelrohr 20 aufrechterhalten wird. Wenn das Reaktionsgefäss sehr gross ist und die Menge der Reaktionswärme relativ klein ist, wird das oben beschriebene Verfahren, bei dem die latente Verdampfungswärme des Kühlmittels ausgenutzt wird, angewendet und dabei wird vorzugsweise ein Aufbau eingesetzt, bei dem eine Funktion der Trennung der Flüssigkeit von dem Dampf dem Endsammelrohr zugeordnet wird, wobei ein Röhr 28 zum Herabführen der abgetrennten Flüssigkeit, das in Figur 2 mit unterbrochenen Linien gezeichnet ist, in dem Gasraum in dem Mittelabschnitt angebracht wird. Das Rohr 28 ist mit den ersten Verteilerrohren 17 durch wenigstens ein Verbindungsrohr 29 verbunden, um natürliche Zirkulation des Kühlmittels in dem Reaktionsgefäss zu bewirken. Nur der Dampf des Kühlmittels wird von dem KUhlmittelauslass 10 abgezogen, und das Kühlmittel wird in einer Menge, die der Menge des von dem Auslass 10 abgezogenen Dampfes entspricht, von dem Kühlmitteleinlass 9 zugeführt. In dieser Ausführungsform kann der Aufbau vereinfacht und der Betrieb auf vorteilhafte Weise durchgeführt werden im Vergleich zu der AusfUhrungsform, bei der ein Dampf-FlUssigkeits-Separator ausserhalb des Reaktionsgefässes vorgesehen wird und die Flüssigkeit, die nach der Abtrennung des Dampfes verbleibt, wird wieder in den Kreislauf zurückgeführt und dem Kühlmitteleinlass 9 durch ein Flüssigkeitstropf-

- 28 - 2 2 0171

rohr auf natürliche Weise durch die Schwerkraft oder auf erzwungene Weise unter Verwendung einer Pumpe zurückgeführt. Ein abgedichtetes Gefäss, das von der Druckwandung isoliert ist, kann als die Anordnung zum Abzweigen oder Aufsammeln des Kühlmittels anstelle der oben beschriebenen röhrenförmigen Glieder verwendet werden.

Das sechste spezifische Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in dem Mittel zum Verringern der thermischen Beanspruchung, die durch den Unterschied der Wärmeausdehnung hervorgerufen wird. In dem Reaktionsgefäss gernäss der vorliegenden Erfindung ist, wie es vorstehend beschrieben wurde, die Temperaturdifferenz in der Katalysatorschicht während des Betriebs viel kleiner als in dem herkömmlichen Reaktionsgefäss. Es wird jedoch unvermeidbar eine bestimmte Temperaturdifferenz beobachtet. Demzufolge wird eine leichte thermische Beanspruchung aufgrund der Temperaturdifferenz jeweils in den Verbindungsabschnitten der einzelnen röhrenförmigen Glieder, die den KUhlaufbau bilden, hervorgerufen, z.B. in den Verteilerrohren 17 und Ϊ8, den Verbindungsrohren 23, den Kühlrohren 15, den Sammelrohren 19 und 20 und den Verbindungsrohren 24. Da der Kühlaufbau durch röhrenförmige Glieder aufgebaut ist, kann thermische Beanspruchung verringert und verteilt werden, indem in den jeweiligen Rohren gekrümmte Abschnitte ausgebildet werden. Deshalb wird üblicher Weise ein Kühlaufbau bevorzugt, der durch Rohre mit gekrümmten Abschnitten hergestellt ist. Obgleich eine Temperaturdifferenz zwischen der Druckwandung 1 und dem Kühlaufbau vorhanden ist, kann das Entstehen einer thermischen Beanspruchung durch diese Temperaturdifferenz vollständig dadurch verhindert werden, dass bekannte teleskopartige Gasleck verhindernde Mittel vom Stopfbuchsenbrillen- oder Expansionsbalgtyp angewendet werden, wie es in Figur 2 für den Abschnitt gezeigt ist, in dem Kühlmitteleinlass- und -aus-

- 29 - 2 2 01 7 1

lassrohre für den Kiihlaufbau, wie z.B. Kühlmitteleinlass 9 und Kühlraittelaus lass 10, die.Druckwandung 1 durchdringen.

Das siebente spezifische Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Art der Vorerhitzung des Ausgangsgases, das in das Reaktionsgefäss eingeführt werden soll. Wenn das Reaktionsgefäss der vorliegenden Erfindung mit dem oben beschriebenen Aufbau verwendet wird, kann im wesentlichen die gesamte Reaktionswärme in dem Kühlmittel absorbiert werden, und die Temperatur des Reaktionsausflussgases, das die Katalysatorschicht verlässt, entspricht der Auslasstemperatur der Katalysatorschicht, in der die oben beschriebene Temperaturverteilung ein- -gestellt wird, und diese Temperatur ist etwas höher als d±ß Temperatur des Ausgangsgases an dem Einlass der Katalysatorschicht. Demzufolge kann das Gas, das in die Katalysatorschicht eingeführt werden soll, vorerhitzt werden, indem Wärmeaustausch zwischen dem Gas, das die Katalysatorschicht verlässt, und dem Gas, das in die Kütalysatorschicht eingeführt werden soll, durchgeführt wird. Dieser Wärmeaustausch kann durch Verwendung eines bekannten Wärmeaustauschers durchgeführt werden, der ausserhalb des Reaktionsgefässes angeordnet wird. Weiterhin kann der Wärmeaustausch durchgeführt werden, indem ein Wärmeaustauscher in einem Raum im Inneren des Reaktionsgefässes angeordnet wird, wie es in Figur 8 gezeigt ist. Spezieller wird in der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform ein bekannter zylindrischer Mehrröhren-Wärmeaustauscher in dem Raum des Mittelabschnittes des Reaktionsgefässes angeordnet. Dieser Wärmeaustauscher umfasst als Hauptglieder eine grosse Anzahl Rohre 30, eine Röhrenplatte 31, an der die Rohre 30 befestigt sind, und einen Mantel 32 für den Wärmeaustauscher.

- 2 2 0171

In der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform wird das Ausgangsgas für die Umwandlung von einem Gaseinlass 7 in einen Raum auf der Mantelseite des zylindrischen Mehrröhren-^ärraeaustauschers eingeführt, der durch die äusseren Flächen der Rohre 30, die Röhrenplatte 31 und den inneren Mantel 32 abgegrenzt ist, und Wärmeaustausch wird zwischen dem so eingeführten Ausgangsgas und dem Hochtemperaturgas, das von dem Auslass der Katalysatorschicht abgezogen wird und das durch die Rohre 30 hindurchströmt, durchgeführt. Das so vorerhitzte Gas wird durch ein Verteilerrohr 34 hindurchgeleitet und in die Katalysatorschicht von einem Einlassraum 13 der Katalysatorschicht in der oben beschriebenen Weise eingeführt. Das von der Katalysatorschicht zu einem Auslassraum 14 abgelassene Gas wird in die Innenseiten der Rohre 30 von den unteren Abschnitten derselben her zugeführt und Wärmeaustausch wird zwischen diesem abgelassenen Gas und dem Ausgangsgas, das auf der Mantelseite strömt, durchgeführt, um die Temperatur des Ablassgases zu senken. Dann wird das Ablassgas von dem Reaktionsgefäss durch einen Auslassraum 33 und einen Gasauslass 8 entnommen.

Wenn der vorstehend beschriebene Vorerwärmungs-Wärmeaustauscher verwendet wird, ist die Druckdifferenz zwischen der Aussenseite und der Innenseite der Röhrenplatte 31 hauptsächlich auf den Druckverlust zurückzuführen, der in dem Gas hervorgerufen wird, während es durch die Katalysatorschicht strömt. Da diese Druckdifferenz sehr klein ist, wird durch das Vorsehen der Röhrenplatte 31 kein besonderer Nachteil erzeugt.

Ein anderes Beispiel für das Verfahren zum Vorerhitzen eines Ausgangsgases, das in das Reaktionsgefäss eingeführt werden soll, gemäss der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, bei den das Ausgangsgas zuerst in einen isolierten Vorreaktor eingeführt wird, das darin

- 31 - 2 2 0171

eingeführte Gas einer Umwandlungsreaktion bis zu einem bestimmten Ausmass unterworfen wird und seine Temperatur erhöht wird, und dann das so in seiner Temperatur erhöhte Gas in den Reaktor der vorliegenden Erfindung eingeführt wird. Das Ausgangsgas enthält üblicher Weise Spurenmengen an Katalysatorgift. Die Entaktivierung des Katalysators selbst aufgrund des Katalysatorgiftes kann weder bei dem .Reaktionsgef äss gemäss der vorliegenden Erfindung noch bei dem herkömmlichen Reaktionsgef äss verhindert werden. Jedoch bewirkt das Einleiten des Ausgangsgases in einen isolierten Vorreaktor kleiner ßrösse das Aufnehmen der gesamten Menge des Katalyeatorgiftes in dem Katalysatorbett des Vorreaktors mit dem Ergebnis, dass die Lebenszeit des Katalysators in dem Reaktionsgefäss gemäss der Erfindung, das als Hauptreaktionsgefäss dient, stark verlängert wird.

Der Hauptzweck des isolierten Vorreaktors, der vorstehend beschrieben wurde, beruht in der Entfernung des Katalysatorgiftes und in der Erhöhung der Temperatur des Ausgangsgases auf eine Temperatür, die für das in das Hauptreaktionsgefäss einzuführende Gas geeignet ist, wobei die Umwandlungsreaktion auf ein geeignetes Ausmass durchgeführt wird. Daher kann der Vorreaktor einen viel kleineren und einfacheren Aufbau als das Reaktionsgefäss gemäss der vorliegenden Erfindung als dem Hauptreaktionsgefäss besitzen.

Die Lebensdauer des Katalysators in dem Hauptreaktionsgefäss wird stark verlängert, und weiterhin wird der Betriebswirkungsgrad der Anlage als Ganzes, einschliesslich des Verfahrens für die Herstellung des Ausgangsgases, durch ein Betriebsverfahren erhöht, bei dem, wenn der Katalysator in dem. Vorreaktor entaktiviert ist, der Betrieb nur des Vorreaktors gestoppt werden muss, wobei das Ausgangsgas nur während der Periode, während

- 32 - 2 201 71

der der unwirksam gewordene Katalysator ausgetauscht wird, direkt in das Hauptreaktionsgefäss eingeleitet wird. .

Vorzugsweise werden zwei oder mehr Vorreaktoren vorgesehen, die abwechselnd verwendet werden.

Als Struktur- oder Baumaterial für das Reaktionsgefäss kann ein beliebiges Material verwendet werden, das den verschiedenen Beanspruchungen widerstehen kann, die unter tatsächlich auftretenden Betriebsbedingungen entstehen, wie beispielsweise durch den Umwandlungsreaktionsdruck, die Umwandlungsreaktionstemperatur, den Kühlmitteldruck und die Kühlmitteltemperatur, und das keinen schädlichen Einfluss auf die Umwandlungsreaktion ausübt.

Es werden nun Anwendungen des Reaktionsgefässes gemäss der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das erfindungsgemässe Reaktionsgefäss kann bei chemischen exothermen Reaktionen angewendet werden, bei denen das in die Katalysatorschicht eingeführte Ausgangsmaterial und das die Katalysatorschicht verlassende Reaktionsprodukt unter den Temperatur- und Druckbedingungen, die die Umwandlungsreaktion bewirken, gasförmig gehalten werden, und es erwünscht ist, eine geeignete Temperaturverteilung in der Katalysatorschicht zu erzeugen oder genaue Steuerung der Temperatur über die gesamte Katalysatorschlcht hindurch durchzuführen. Als solch eine chemische exotherme Reaktion können z.B. die Herstellung von Ammoniak aus einem Ausgangsgas, das Wasserstoff und Stickstoff enthält, die Herstellung von Methanol, Methan oder einem Kohlenwasserstoff mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen aus einem Ausgangsgas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid enthält,

- 33 - 2 2 01 71

die Herstellung von Wasserstoff aus einem Ausgangsgas, das (Wasser-) Dampf und Kohlenmonoxid enthält, die Her-Stellung eines gesättigten chlorierten Kohlenwasserstoffes wie Chlormethan oder Äthylenchlorid aus einem Auegangsgas, das einen Kohlenwasserstoff und Chlor enthält, die Oxidationsreaktion zur Herstellung von Xthylenoxid, Maleinsäureanhydrid oder Phthalsäureanhydrid aus einem Ausgangsgas, das einen Kohlenwasserstoff und Sauerstoff enthält, die Oxychlorierungsreaktion zur Herstellung eines ungesättigten chlorierten Kohlenwasserstoffes wie Vinylchlorid aus einem Ausgangsgas, das einen Kohlenwasserstoff und Chlor und/oder Chlorwasserstoff und Sauerstoff enthält, die Aramoxidationsreaktion (Ammoniakverbrennung) zur Herstellung einer Cyan- bzw. Cyanogen-Verbindung wie Acrylnitril oder Cyansäure aus einem Ausgangsmaterial, das einen Kohlenwasserstoff, Ammoniak und Sauerstoff enthält, die Hydrierungsreaktion zur Herstellung eines gesättigten Kohlenwasserstoffes wie Cyclohexan aus einem Ausgangsgas, das einen ungesättigten Kohlenwasserstoff und Wasserstoff enthält, die Alkylierungsreaktion zur Herstellung von Iso-Octan oder Äthylbenzin aus einem Ausgangsgas, das einen ungesättigten Kohlenwasserstoff und einen gesättigtenKohlenwasserstoff enthält, und die Oxidationsreaktion zur Herstellung von Formaldehyd oder dergleichen aus einem Ausgangsgas, das eine sauerstoffhaltige organische Verbindung und Sauerstoff enthält, genannt werden. Wenn das Reaktionsgefäss gemäss der vorliegenden Erfindung verwendet wird, werden verschiedene Vorteile erzielt, z.B. Einsparung von Energie während der gesamten Verfahrensschritte durch Verbesserung des Wirkungsgrades der Ausnutzung der Reaktionswärme, durch Erleichterung oder Auslegung des Reaktionsgefässes und Reduktion der Kosten des Materials für den Aufbau des Reaktionsgefässes. Weiterhin ist

220171

es in jeder der vorstehenden chemischen Reaktionen möglich, die Ausbeute des gewünschten Produktes zu erhöhen, die Bildung von Nebenprodukten zu verhindern und die Lebensdauer des Katalysators zu verlängern, da die Temperaturverteilung in der Reaktionsschicht optimalisiert und die Temperatur durch die ganze Katalysatorechicht hindurch genau gesteuert werden kann. Die Art des Katalysators ist nicht besonders kritisch, wenn das erfindungsgemässe Reaktionsgefäss bei den vorstehend aufgezählten chemischen Reaktionen angewendet wird, und es kann irgendein Katalysator, der für die gewünschte Reaktion geeignet ist, verwendet werden. Auch kann die Kapazität des Reaktionsgefässes vergrössert werden, indem zwei oder mehr Katalysatoren angeordnet werden, die sich in den katalytischen Eigen-? schäften unterscheiden, so dass das Gas mit verschiedenen Katalysatoren bei seiner Vorwärtsbewegung in der Katalysatorschicht in Kontakt kommt. Es können insbesondere hohe technische und wirtschaftliche Vorteile erzielt werden, wenn die vorliegende Erfindung auf die Produktion von Ammoniak oder Methanol in grossem Massstab angewendet wird, die unter einem Druck durchge-

2 führt wird, der niedriger als 100 kg/cm G (d.h. 100

ο kg/cm überdruck über Atmosphärendruck) ist.

Es wird nun die Ausnutzung der Reaktionswärme, die in dem Kühlmittel absorbiert ist, beschrieben. Die Reaktionswärme kann auf verschiedenen Gebieten ausgenutzt werden. Im Falle des Verfahrens, bei dem die fühlbare Wärme des Kühlmittels ausgenutzt wird, kann das Reaktionsgef äss zur Erhöhung der Temperatur eines Ausgangsmaterials verwendet werden, das bei dem Verfahrensschritt, bei dem eine hohe Temperatur erforderlich ist, verwendet wird. Auch im Falle des Verfahrens, bei dem die latente Verdampfungswärme des Kühlmittels ausgenutzt wird, kann die absorbierte Reaktionswärme in

-as- 2 201 71

ähnlicher Weise ausgenutzt werden. Zum Beispiel wird bei der Herstellung von Ammoniak aus Naphtha oder Pe- troleum eine Mischung aus Naphtha mit Hochdruckdampf oder heissera Wasser als Kühlmittel in dem Reaktionsge- fäss gemäss der vorliegenden Erfindung verwendet, um Dampf aufzuheizen oder Naphtha zu verdampfen, wobei das Hochtemperaturgas als das Ausgangsmaterial für den Verfahrensschritt der Herstellung von Wasserstoff als das Ausgangsmaterial für Ammoniak verwendet wird. Im Falle des Verfahrens, bei dem die latente Verdarapfungs- wärme ausgenutzt wird, kann die Reaktionswärme für an- dere Zwecke verwendet werden. So wird beispielsweise der Dampf von der Flüssigkeit abgetrennt und dann einem anderen Verfahrensschritt zur direkten oder- indirekten Erhitzung einer anderen Substanz eingeführt. Weiterhin wird die Reaktionswärme in eine mechanische Energie oder Leistung umgewandelt, indem der Druck des Dampfes in einer Turbine direkt oder nach weiterer Erhitzung ausge nutzt wird. Darüber hinaus wird der Dampf zum Komprimieren des Gases, das in das Reaktionsgef äss eingeführt werden soll, ausgenutzt. Der Siedepunkt des Kühlmittels, das in dem Reaktionsgefäss verwendet werden soll, kann auf ein Niveau eingestellt werden, das etwas niedriger als die Katalysatorschicht-Temperatur ist, die entsprechend der Art der Umwandlungsreaktion und der Eigenschaften des verwendeten Katalysators bestimmt ist,in dem die Einlasstemperatur und die Durchflussrate des Kühlmittels eingestellt oder der auf das Kühlmittel angewendete Druck gesteuert werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann irgendein Kühlmittel, das kaum durch die Wärme während des Betriebs abgebaut oder verschlechtert wird und keine korrosive Wirkung auf das Material des Reaktionsgefässes ausübt, verwendet werden. Im Falle des Verfahrens, bei dem die latente Verdampfungswärme des Kühlmittels ausgenutzt wird, wird es vom Standpunkt der effektiven Ausnutzung der dem Dampf des Kühlmittels

- 220171

innewohnenden Energie bevorzugt, als Kühlmittel Wasser, eine aliphatische Kohlenwasserstoff-Fraktion oder eine aromatische Verbindung wie einen aromatischen Kohlenwasserstoff, einen chlorierten aromatischen Kohlenwasserstoff oder Diphenyloxid oder eine Mischung derselben zu verwenden. Wenn solch ein Kühlmittel für das Verfahren, bei dem die latente Verdampfungswärme ausgenutzt wird, eingesetzt wird, kann die Temperatur durch die ganze Katalysatorschicht hindurch genau gesteuert werden, indem der Druck des Kühlmittels und der Siedepunkt des Kühlmittels geeignet eingestellt werden. Die erlaubte obere Grenze des Druckes des Kühlmittels liegt bei

2 2

diesem Verfahren etwa bei 150 kg/cm G (d.h. 150 kg/cm überdruck über Atmosphärendruck) im Falle der oben beschriebenen natürlichen Zirkulation oder bei etwa 200

2 2

kg/cm G (d.h. 200 kg/cm überdruck über Atmosphärendruck) im Falle der oben beschriebenen erzwungenen Zirkulation. Wenn der Druck dieses kritische Niveau übersteigt, wird die Kühlkapazität der Kühlrohre verringert.

Claims (15)

1. 220!71

   Erfindungsanspruch :

   Verfahren zum Umsetzen gasförmiger Ausgangsmaterialien im Kontakt mit einer festen Katalysatorechicht, die in einer vertikalen zylindrischen Reaktionszone ausgebildet ist, gekennzeichnet dadurch dass die gasförmigen Ausgangsmaterialien im wesentlichen in radialer Richtung durch die Katalysatorschicht hindurchgeleitet werden, in der längliche KUhlzonen mit einem kleinen Durchmesser in vertikaler Richtung angeordnet sind, und ein Kühlmittel durch diese Kühlzonen hindurchgeleitet wird, um die Wärme abzuführen, die durch die in dieser Katalysatorschicht bewirkten Reaktion erzeugt wird, um dadurch die optimale Temperaturverteilung in dieser Katalysatorschicht einzustellen.

   - 38 - 2
2. 2 2 0171

   rohre (15-2) angeordnet sind, und dem inneren Umfang der Katalysatorschicht auf vorherbestimmte Grossen in Bezug auf die radiale Richtung eingestellt werden.

   2 2

   kg/cm G (etwa 101 kg/cm abs.) umgesetzt werden, um Ammoniak zu bilden.

   - 39 - 2 2 0171

   2. Verfahren nach Punkt ί,

   gekennzeichnet dadurch , dass der Druck des Kühlmittels in den Kühlzonen auf ein vorherbestimmtes Niveau derart eingestellt wird, dass eine gemischte Dampf-Flüssigkeits-Phase oder eine Flüssigkeitsphase mit einer gewünschten Siedetemperatur erzeugt wird.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1,

   gekennzeichnet dadurch , dass der Druck des Kühlmittels in den Kühlzonen jeder einzelnen KUhlzonengruppe auf ein vorherbestimmtes Niveau derart eingestellt wird, dass eine gemischte Dampf-Flüssigkeits-Phase oder eine FlUssigkeitsphase mit einer gewünschten Siedetemperatur erzeugt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Punkte 2 oder 3» gekennzeichnet dadurch, dass das Kühlmittel Wasser 1st.
5. 5. Verfahren nach einem der Punkte 2 oder 3 , gekennzeichnet dadurch ,

   dass der Druck des Kühlmittels auf einen Druck unterhalb 200 kg/cm G (d.h. 200 kg/cm Überdruck

   über Atmosphärendruck oder etwa 201 kg/cm abs.) eingestellt wird.
6. 6. Verfahren nach Punkt 1,

   gekennzeichnet dadurch , dass Stickstoff und Wasserstoff bei einem Druck unterhalb 100
7. 7. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch , dass Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei einem Druck unterhalb 100 kg/cm²G (etwa 101 kg/cm abs,) umgesetzt werden, um Methanol zu bilden·
8. 8. Verfahren nach Punkt ί,
   gekennzeichnet dadurch , dass vor der Reaktion die gasförmigen Ausgangsmaterlalien in einer Vorstufen-Reaktionszone, die den gleichen Katalysator wie das Hauptgefäss enthält, umgesetzt werden, ohne dass die Reaktionswärme abgeführt wird, wodurch die Temperatur der gasförmigen Ausgangsmaterialien erhöht wird und ein Katalysatorgift, das in den gasförmigen Ausgangsmaterialien enthalten ist, herausgenommen wird.
9. 9. Reaktionsgefäss für katalytische Gasphasenreaktionen, gekennzeichnet durch eine vertikale zylindrische Wandung (1); einen Einlass (7) für gasförmige Ausgangsmaterialien und einen Auslass (8) für Reaktionsauslassgas; einen Einlass (9) und einen Auslass (10) für ein Kühlmittel; einen zylindrischen, am Umfang angeordneten Katalysator-Aufnahmeteil oder Katalysator-* träger (4-0), der an beiden Enden offen ist und eine Anzahl durchgehender Löcher (4-4) in seiner Wandung besitzt und vertikal innerhalb der Wandung (1) angeordnet ist; einen zylindrischen mittleren Katalysator-Aufnahmeteil oder Katalysatorträger (4-1) mit einer Anzahl Durchgangslöcher (4-4) in seiner Wandung, der vertikal innerhalb des Umfangs-

   2201 71

   katalysatorträgers (4-O) angeordnet ist; eine Katalysatorschicht, die durch Packen eines Katalysators in den Raum zwischen dem Umfangsund mittleren Katalysatorträger ausgebildet ist; eine Anzahl Kühlrohre (15) mit kleinem Durchmesser, die mit dem Einlass (9) für das Kühlmittel an einem Ende und mit dem Auslass (10) für das Kühlmittel an dem anderen Ende jeweils verbunden sind und in der Katalysatorschicht angeordnet sind; einen am Umfang vorgesehenen, den Druck gleichmässig machenden Raum
10. 10. Reaktionsgefäss nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch _t dass die Mittelpunkte der Kühlrohre (15) auf wenigstens einem konzentrischen Kreis angeordnet sind, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Reaktionsgefässes im horizontalen Querschnitt der Katalysatorschicht zusammenfällt.

    220171
11. 11. Reaktionsgefäss nach Punkt S₉ gekennzeichnet dadurch , dass sowohl die Verteilereinrichtung (17,18,...) für die Verteilung des Kühlmittels in die Kühlrohre (15) als auch die Sammeleinrichtung (19,20,...) für die Zusammenführung und Aufsammlung des Kühlmittels von den jeweiligen Kühlrohren (15) und zum Ablassen des Kühlmittels ein Mehrröhren-Aufbau ist, der aus röhrenförmigen Gliedern aufgebaut ist.
12. 12. Reaktionsgefäss nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch , dass die Kühlrohre (15) verschiedene Rohrdurchmesser besitzen.
13. 13. Reaktionsgefäss nach Punkt S₉ gekennzeichnet dadurch , dass wenigstens eine Schicht einer mit Löchern versehenen Platte (4-2) ausserhalb sowohl des äusseren Umfanges als auch des inneren Umfanges der Katalysatorschient, auf jedem konzentrischen Kreis angeordnet ist, deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Reaktionsgefässes im horizontalen Querschnitt durch die Katalysatorschicht zusammenfällt.

    (13) zwischen der Wandung (1) und einer Trennwand (22), die so angeordnet ist, dass die gasförmigen Ausgangsmaterialien in den Raum zwischen dieser Wandung' und dem Umfangskatalysatorträger (4-0) eingeführt werden, von welchem Raum die gasförmigen Ausgangsmaterialien im wesentlichen in radialer Richtung durch die Katalysatorschicht hindurchströmen; und einen mittleren, den Druck gleichmässig machenden Raum
14. 14. Reaktionsgefäss nach Punkt 10, gekennzeichnet dadurch , dass der Abstand zwischen dem äusseren Umfang der Katalysatorschicht und dem äussersten konzentrischen Kreis, auf dem die Kühlrohre (15) angeordnet sind, der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten konzentrischen Kreisen, auf denen kühlrohre (15) angeordnet sind, und der Abstand zwischen dem innersten konzentrischen Kreis, auf dem die Kühl-

    220171

    rohre (15-2) angeordnet sind, und dem inneren Umfang der Katalysatorschicht auf vorherbestimmte Grossen in Bezug auf die radiale Richtung eingestellt werden.

    15. Reaktionsgefäss nach Punkt 10,

    ^gekennzeichnet dadurch , dass die auf jedem konzentrischen Kreis angeordneten Kühlrohre (15) so angeordnet sind, dass der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Rohren auf dem konzentrischen Kreis auf einen vorherbestimmten Wert eingestellt ist.

    Hierzu J>l$elien Zeichnungen

    - 42 -

    (14) innerhalb des mittleren Katalysatorträgers (4-1), welcher Raum von dem anderen Raum durch eine Trennplatte (21), die an einem Ende des mittleren .Katalysatorträgers angeordnet ist, abgetrennt ist und mit dem Auslass (8) für das Reaktionsauslaufgas am anderen Ende des mittleren Katalysatorträgers verbunden ist.
15. 15. Reaktionsgefäss nach Punkt 10,

    *gekennzeichnet dadurch _f dass die auf Jedem konzentrischen Kreis angeordneten Kühlrohre (15) so angeordnet sind, dass der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Rohren auf dem konzentrischen Kreis auf einen vorherbestimmten Wert eingestellt ist.

    Hienu.j£L$eiten Zeichnungen