DD234562A3 - Mischphasenverteiler fuer hydrokatalytische reaktoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichmaessigen Verteilung einer fluessig/gasfoermigen Mischphase auf ein Katalysatorfestbett. Ziel ist die Schaffung eines Mischphasenverteilers, mit dem die Wirksamkeit des Festbettes, die Lebensdauer des Katalysators und damit die verfahrenstechnische Ausbeute des Prozesses erhoeht wird. Es ist Aufgabe, einen solchen Mischphasenverteiler zu entwickeln, der die Mischphase gleichmaessig auf die Oberflaeche des Kontaktkoerperbettes bei gleichzeitiger Minimierung des Druckverlustes verteilt und dabei eine einfache Montagemoeglichkeit garantiert. Dies wird dadurch erreicht, dass im Zustroemrohr eine Duese und anschliessend ein oberes Rohrstueck mit inneren keilfoermigen Ringen, die auf Halteblechen aufliegen, und unterhalb der Haltebleche zwei Hohlzylinder angeordnet sind. Dabei schliesst sich an das obere ein unteres Rohrstueck an, in dem an Streben mehrere Konen mit Umlenkblechen angeordnet sind. Unterhalb des Umlenkbleches des innersten Konus ist ein Enddiffusor angeordnet. Der Mischphasenverteiler ist einsetzbar z. B. in Hochdruckreaktoren von Hydrospaltanlagen. Fig. 2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung einer aus flüssigen und gasförmigen Komponenten bestehenden Mischphase auf die Oberfläche eines sich in einem vertikalen Abstand befindlichen Katalysatorfestbettes. Die zu verteilende Mischphase wird hierbei über einen zum Querschnitt des Reaktors kleinen Rohrquerschnitt zugeführt und erfährt eine erhebliche Vergrößerung des Strömungsquerschnittes zwischen Mischphasenverteiier und Festbettoberfläche.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bereits eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung einer aus einer gas- bzw. dampfförmigen und einer flüssigen Komponente bestehenden Mischphase auf die Oberfläche eines Kontaktkörperbettes gemäß DE-PS 2132828 bekannt.

Diese Verteilervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine quer durch den Einlaßeinsatz reichende und oberhalb des oberen Endes des Einlaßeinsatzes angeordnete Öffnungen aufweisende Verteilerplatte mit unterhalb einer jeden Öffnung angeordneten querverlaufenden Ablenkkörpern zur gleichmäßigen Durchmischung des Zuströmmediums verwendet

Am unteren Ende des Einlaßeinsatzes befindet sich eine zweite Verteilerplatte mit konzentrisch im Abstand voneinander angeordneten, nach unten ragenden Hohlzylindern, von deren Enden kegelstumpfförmige, sich in Strömungsrichtung erweiternde Leitkörper ausgehen.

Da der mögliche Erweiterungswinkel eines Multidiffusors, um einen solchen handelt es sich bei dieser Lösung, durch das Diffusorkriterium begrenzt wird, tritt bei größeren Erweiterungswinkeln eine Grenzschichtablösung und damit eine Strahlbegrenzung auf.

Die in der DE-PS 2132828 angegebene Richtlinie zur Dimensionierung der konischen Leitkörper versagt daher bei kurzem Abstand zwischen Eintrittsverteiler zur Oberfläche eines Festbettes großen Durchmessers.

Die Gestaltung der Verteilerplatten bedingt in Verbindung mit den konischen Leitkörpern eine Phasenentmischung, welche zu einer starken Flüssigkeitsaufgabe auf das Zentrum der Feststoffoberfläche führt, während die Randbereiche nur von der Gasphase beaufschlagt werden. Eine derart ungleichmäßige Beaufschlagung der Oberfläche führt zu einer erheblichen Minderung der Wirksamkeit des Festbettes und zu einer verkürzten Lebensdauer des Katalysators auf Grund Verkokung.

Der Einsatz dieser Lösung bleibt daher auf Reaktoren kleineren Querschnitts beschränkt.

Ein weiterer Nachteil dieser Lösung besteht in der Verteilerplatte mit Ablenkkörpern, welche eine Phasendurchmischung nur auf Kosten eines größeren Druckverlustes erreicht.

Bei der bekannten technischen Lösung eines Gasgenerators zur chemischen Umsetzung strömender Gase oder Flüssigkeiten gemäß DE-PS 2709358 besteht der Verteiler aus mehreren in Strömungsrichtung hintereinander und im Abstand zueinander angeordneten mit Durchtrittskanälen versehenen Platten, die einen zum Plattenrand abnehmenden Strömungswiderstand darstellen. Dabei füllt die Plattenfläche der zuletzt durchströmten Platte fast den Querschnitt der Kammer aus.

Eine derartige Lösung ist für Gas-Flüssigkeitsgemische nicht geeignet. An den mit Durchtrittskanälen versehenen Platten kommt es zum Flüssigkeitsrückstau und damit zu einem höheren Druckverlust. Weiterhin besteht bei diesem Verteiler die Gefahr der

Verstopfung bei verschmutzten Medien. '.'

Eine Verteilervorrichtung für Flüssigkeiten gemäß DE-AS 1 667021 teilt den ankommenden Stoffstrom durch verschiedene Leitwände auf das den Verteiler umfassenden Drahtgitter gleichmäßig auf. Diese nach dem Prinzip der Versprühung arbeitende Verteilervorrichtung ist für Mischphasen ungeeignet, da durch die Art der Leitwände eine Entmischung und damit eine ungleichmäßige Verteilung bewirkt wird.

Gemäß DE-OS 1542513 ist ein Verfahren zum gleichmäßigen Verteilen einer aus Dampf und Flüssigkeit bestehenden Mischphase auf die Oberfläche eines Kontaktkörperbettes bekannt. Bei dieser Lösung wird die Mischphase über eine horizontale Zuführungsmulde auf einen Einbauboden aufgegeben, der mit gleichmäßig über dem Querschnitt verteilten Kappen und Rieselbzw. Überlaufvorrichtungen ausgestattet ist. Diese entsprechen im wesentlichen den herkömmlichen Blubberventilen. Eine derartige Vorrichtung bewirkt einen hohen Druckverlust, besitzt einen komplizierten Aufbau und ist daher nur im geringen Maße vormontierbar. Außerdem besteht die Gefahr der Verkokung auf der Bodenoberfläche, die zum Versagen der Funktionstüchtigkeit führt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Mischphasenverteilers, mit dem die Wirksamkeit des gesamten Festbettes, die Lebensdauer des Katalysators und damit die verfahrenstechnische Ausbeute des Prozesses erhöht wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Entsprechend dem Ziel liegt die Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Mischphasenverteiler zu schaffen, der die Mischphase gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche des Kontaktkörperbettes bei gleichzeitiger Minimierung des Druckveriustes verteilt und dabei eine einfache Montage- und Demontagemöglichkeit bei Sicherheit gegen Verstopfen durch Verunreinigungen garantiert.

Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß im Zuströmrohr eine Düse und in Fortsetzung der Düse ein oberes Rohrstück mit in seinem Inneren befindlichen keilförmigen Ringen, die auf gekreuzten Halteblechen aufliegen, und unterhalb der Haltebleche zwei zentrische zueinanderliegende, in die Haltebleche hineinragende Hohlzylinder angeordnet sind. Dabei schließt sich an das obere Rohrstück ein unteres Rohrstück, in dem sich kreuzende Stäbe befinden, an.

An den sich kreuzenden Stäben sind mehrere Konen, an deren Innenseiten je ein zylindrischer Ring angeschweißt ist, angebracht. Die Konen sind mit radial auslaufenden Umlenkblechen versehen. Zwischen den Umlenkblechen sind noch zusätzliche Umlenkbleche und unterhalb des Umlenkbleches des innersten Konus ein Enddiffusor angeordnet.

Der Enddiffusor besitzt an seinem äußeren oberen Ende ebenfalls ein Umlenkblech und in seinem Inneren vertikale Leitbleche.

Das untere Ende des Enddiffusors und die Enden aller Umlenkbleche sind durch Blechstreifen miteinander verbunden.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Umlenkbleche nach außen leicht geneigt sind, wobei die Umlenkbleche mit Konen zu den Umlenkblechen ohne Konen in einem Winkel im Bereich von 5 bis 15° zueinander angeordnet

Weiterhin ist vorgesehen, daß durch die Konen der Strömungsquerschnitt am unteren Ende des unteren Rohrstückes derart aufgeteilt ist, daß der durch die zwei inneren Konen begrenzte Kanal einen 40 bis 70% größeren Eintrittsquerschnitt als der durch den inneren Konus begrenzte Kanal aufweist.

Der durch die zwei äußeren Konen begrenzte Kanal weist wiederum einen um 40 bis 70% größeren Eintrittsquerschnitt auf als der durch die zwei inneren Konen begrenzte Kanal.

Ebenfalls ist zweckmäßig, daß der Mischphasenverteiler aus einem oberen und unteren Montagebauteil besteht, derart, daß das obere Rohrstück mit dem oberen Flansch verschweißt ist und dieser wiederum am Zuströmrohr angeschweißt ist. Dabei ist das untere Rohrstück durch den am oberen Rohrstück angeschweißten unteren Flansch mittels Schrauben, die am oberen Flansch angeheftet sind, lösbar verbunden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1: Einbau des Mischphasenverteilers im Kopfbereich eines hydrokatalytischen Reaktors im Schnitt.

Fig. 2: Mischphasenverteiler im Halbschnitt.

Der Mischphasenverteiler 1 ist mittig im Deckel 2 des Reaktors angeordnet. Gemäß Ausführungsbeispiel ist dieser von einem gemeinsam mit dem Mischphasenverteiler 1 montierbaren Isoliersegment 3 umgeben. Am oberen Ende des Zuströmrohres 4 befindet sich ein Flansch 5 zur Befestigung im Deckel 2 des Reaktors. Durch die Düse 6 wird der Strömungsqusrschnitt entsprechend Ausführungsbeispiel auf 25 bis 30% verengt.

Die schmale Ringscheibe? im sich verengenden Düsenquerschnitt dient der Ablösung des sich bildenden Flüssigkeitsfilms von der Wand. An die Düse 6 schließt sich ein aus oberem Rohrstück 8 und unterem Rohrstück 9 bestehender Kanalabschnitt an.

In diesem befinden sich auf zwei gekreuzten Haiteblechen 10 die zentrisch zueinander angeordneten Ringe 11 und 12, weiche eine weitere kontinuierliche Verengung des Strömungsquerschnittes auf 15 bis 25% des Querschnittes des Zuströmrohres 4 bewirken. Am unteren Ende dieser Ringe 11,12 vergrößert sich der Strömungsquerschnitt sprunghaft wieder auf den Wert am Ende der Düse 6. In diesem Bereich befinden sich zwei zentrisch zueinander angeordnete Hohlzylinder 13,14, welche in geringem Abstand zu den Ringen Π und 12 angeordnet sind und eine Reflektion der Flüssigphase bewirken. Am Ende des unteren Rohrstückes 9 sind zwei sich kreuzende Streben 15 angebracht. Diese dienen zur Halterung der Konen 16 und 17, während der äußere Konus 18 direkt mit dem unteren Rohrstück 9 verschweißt ist. Der Erweiterungswinkel dieser zentrisch zueinander angeordneten Konen 16,17,18 wird unter Anwendung des Diffusorkriteriums auf den durch die Konen 16,17,18 gebildeten Multidiffusor ermittelt.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Beaufschlagung der gesamten Oberfläche des Kontaktkörperbettes ist die Aufteilung des Volumenstromes auf die einzelnen Multidiffusorkanäle im Ausführungsbeispiel derart gestaltet, daß der jeweils äußere Muitidiffusorkanal gegenüber dem nächst inneren Kanal einen etwa 50% höheren Flächenanteil und damit auch Durchsatz im Eintrittsquerschnitt aufweist. Dies ist erforderlich, da die äußeren Kanäle radial weiter außenliegend und damit flächenmäßig größere Bereiche der Festbettoberfläche zu beaufschlagen haben, wozu eine entsprechend hohe Strömungsgeschwindigkeit am Austritt des Mischphasenverteilers benötigt wird.

An den Innenseiten der Konen 16,17,18 befinden sich kurze zylindrische Ringe 19, 20, 21 zur Ablösung des sich bildenden Flüssigkeitsfilms von der Wand. Dem innersten Konus 19 schließt sich ein Enddiffusor 22 an, in welchem vertikale Leitbleche 23 zur Minderung der Gefahr der Grenzschichtablösung untergebracht sind. Ein Teilstrcm wird aus dem innersten Diffusionskanal über einen Strömungsgünstig ausgeführten Spalt, welcher durch das ringförmige gebogene Umlenkblech 24 und das sich am Ende des Konus 16 anschließende Umlenkblech 25 begrenzt wird, dem nächst äußeren Kanal zugeführt. Ähnlich wird aus diesem Diffusorkanal über einen durch die Umlenkbleche 26 und 27 begrenzte Kanal ein Teilstrom dem äußersten Diffusorkanal

zugeführt. Das Umlenkblech 28 begrenzt den äußersten Diffusorkanal nach oben. Dia sich an die Konen 16,17 anschließenden Umlenkbleche 25 und 27 werden im Außendurchmesser geringfügig kleiner ausgeführt als die mit Spalt darunter befindlichen Umlenkbleche 24 und 26. Die Umlenkbleche 25 und 27 sollten zu den Umlsnkblechen 24 und 26 im Winkel von etwa 10° zueinander stehen, um so eine gute Versprühung des sich an den Innenseiten der Diffusorkanäle bildenden Flüssigkeitsfilms durch den aus dem nächst inneren Diffusorkanal abgezweigten, vorrangig gasförmigen Teilstrom zu bewirken. Durch die Gestaltung der Umlenkbleche 24,25,26,27, 28 wird die Strömung aus den äußeren Multidiffusorkanälen in radiale Ringräume gelenkt, welche ebenfalls unter Beachtung des Diffusionskriteriums anzulegen sind.

Die am Umfang angeordneten Blechstreifen 29 dienen der Versteifung und der Erhöhung der Eigenfrequenz des Mischphasenverteilers sowie der rotationssymmetrischen definierten Halterung einzelner Bauteile. Durch die Trennung in oberes Rohrstück 8 und unteres Rohrstück 9 ist der Mischphasenverteiler 1 teilbar. Der obere Teil ist über den oberen Flansch 30 mit dem Zuströmrohr 4 fest verschweißt. Daran sind gleichmäßig am Umfang"verteilte Schrauben 31 mit Führungshülsen zur Distanzhalterung geheftet. Am unteren Rohrstück 9 des Mischphasenverteilers 1 befindet sich der untere Flansch 32, welcher zusammen mit den Schrauben 31 der Verbindung zum Oberteil des Mischphasenverteilers 1 dient.

Die Wirkungsweise der Erfindung ist wie folgt

Da die Zuströmleitung zumeist im Sinne eines geringen Druckverlustes für niedrige Strömungsgeschwindigkeiten ausgelegt ist, macht sich zur möglichst feinen Versprühung der Mischphasen eine Geschwindigkeitserhöhung notwendig. Dies wird durch die Düse im unteren Teil des Zuströmrohres und die sich im anschließenden Rohrquerschnitt befindlichen zentrisch zueinander angeordneten Ringe mit dreieckigem Querschnitt bewirkt.

Am Ende dieser Ringe kommt es durch eine plötzliche Querschnittserweiierung zu einer wiederholten Verwirbelung der zur Entmischung neigenden Mischphase. Die Hohlzylinder im sich anschließenden Strömungskanal dienen der Reflektion der fein versprühten Flüssigphase und garantieren daher ein gleichmäßiges Strömungsprofil mit einer guten Durchmischung der beiden Phasen vor Eintritt in den Multidiffusorbereich. Da auf Grund von Grenzschichtablösungen im Wandbereich bei Nichtbeachtung des Diffusorkriteriums nur ein beschränkter Erweiterungswinkel möglich ist, münden die beiden äußeren Kanäle des Multidiffusors jeweils in einen radialen Ringraum.

Dies garantiert einen radialen Austritt der Mischphase. Unter Schwerkrafteinwirkung gehen diese radialen Austrittsstrahlen in eine geneigte Bahn über. Der innere Multidiffusorkanal mündet durch den Enddiffusor in einen axialen Austritt. Durch die Aufteilung in die drei Diffusorkanäle wird eine gleichmäßige Beaufschlagung des sich kegelig erweiternden Austrittsstrahles erreicht. Da es an den Wänden der Strömungskanäle zwangsläufig zur Bildung eines Flüssigkeitsfilms, und somit zur unerwünschten Phasenentmischung kommt, sind verschiedene Möglichkeiten zu dessen Unterdrückung vorgesehen. So sind an den Innenwänden der Konen des Multidiffusors kurze zylindrische Ringe zur Ablösung des Flüssigkeitsfilms angebracht. Durch die Zuführung von aus den inneren Kanälen abgezweigtem vorrangig gasförmigen Medium wird eine feine Versprühung des sich an der Innenseite der radialen Ringräume bewegenden vorrangig flüssigen Phase bewirkt.

Durch entsprechende strömungstechnische Dimensionierung der Austrittsquerschnitte läßt sich eine gute Anpassung an die jeweiligen geometrischen Verhältnisse des Reaktors und an die gegebenen Durchsatzbedingungen erreichen. Es wird eine gleichmäßige Beaufschlagung der Oberfläche des Katalysatorbettes bewirkt.

Zur Erzielung dieser gleichmäßigen Beaufschlagung der gesamten Oberfläche des Kontaktkörperbettes wird die Strömung derart auf die durch die Konen begrenzten Multidiffusorkanäie aufgeteilt, das durch die jeweils äußeren Kanäle, welche radial weiter außenliegende und damit größere Bereiche der Festbettoberfläche zu beaufschlagen haben, wozu ebenfalls eine entsprechend höhere Austrirtsgeschwindigkeit aus dem Mischphasenverteiler erforderlich ist, ein jeweils größerer Anteil der gesamten Mischphase strömt.

Die gleichmäßige Beaufschlagung ist für die verfahrenstechnische Wirksamkeit von entscheidender Bedeutung. Eine ungleichmäßige Beaufschlagung des Katalysatorbettes bedingt Strömungsbereiche mit überhöhtem Flüssigkeitsdurchsatz. Das hat zur Folge, daß sich Flüssigkeitsgassen mit einem schnellen Katalysatorverbrauch und erhöhter Exothermie ausbilden. Diese Bereiche sind der Gefahr der Verkokung ausgesetzt, was zu inaktivem Katalysator oder dessen Zerstörung führt. In den übrigen Bereichen mitfast reinem Gasdurchsatz findetauf Grund Unterkühlung und fehlendem Flüssigkeitsanteil keine Reaktion statt, insgesamt würde die verfahrenstechnische Wirksamkeit des Katalysatorbettes, bei gleichzeitig notwendigen kürzeren Zyklen hinsichtlich des Katalysatoraustausches, gemindert. Allen diesen Gefahren wird mit der erfindungsgemäßen Lösung wirkungsvoll begegnet.

Claims (4)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Mischphasenverteiler für hydrokatalytische Reaktoren mit zentrisch zum Kontaktbett im Kopfbereich des Reaktors angeordnetem zentralen Zuströmrohr mit im Innern und in Fortsetzung des Zuströmrohres vorhandenen Leit- und Verteileinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuströmrohr (4) eine Düse (6) und in Fortsetzung der Düse (6) ein oberes Rohrstück (8) mit in seinem Inneren befindlichen keilförmigen Ringen (11,12), die auf gekreuzten Halteblechen (10) aufliegen, und unterhalb der Haltebleche (10) zwei zentrisch aufeinanderliegende in die Haltebleche (10) hineinragende Hohlzylinder (13,14), angeordnet sind, wobei sich an das obere Rohrstück (8) ein unteres Rohrstück (9) anschließt, in dem sich kreuzende Streben (15) befinden, an welchen mehrere Konen (16,17,18), an deren Innenseiten je ein zylindrischer Ring (19, 20,21) angeschweißt ist, und die mit radial ausraufenden Umlenkblechen (25,27,28) versehen sind, angeordnet sind, und daß zwischen den Umlenkblechen (25,27) ein weiteres Umlenkblech (26) und unterhalb des Umlenkbleches (25) des innersten Konus (16) ein Enddiffusor (22), der an seinem äußeren oberen Ende ein Umlenkblech (24) und in seinem Inneren vertikale Leitbleche (23) besitzt, angeordnet sind, wobei das untere Ende des Enddiffusors (22) und die Enden aller Umlenkbleche (24, 25,26,27,28) durch Blechstreifen (29) miteinander verbunden sind.
2. 2. Mischphasenverteiler nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkbleche (24,25,26,27, 28) nach außen geneigt sind, wobei die Umlenkbleche (25,27) zu den Umlenkblechen (24,26) unter einem Winkel von 5 bis 15° zueinander angeordnet sind.
3. 3. Mischphasenverteiier nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Konen (16,17,18) der Strömungsquerschnitt am unteren Ende des unteren Rohrstückes (9) derart aufgeteilt ist, daß der durch die Konen (16,17) begrenzte Kanal einen 40 bis 70% größeren Eintrittsquerschnitt als der durch den Konus (16) begrenzte Kanal aufweist, während der durch die Konen (17,18) begrenzte Kanal wiederum einen um 40 bis 70% größeren Eintrittsquerschnitt als der durch die Konen (16,17) begrenzte Kanal besitzt.
4. 4. Mischphasenverteiler nach Punkt 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einem oberen und einem unteren Montagebauteil besteht, derart, daß das obere Rohrstück (8) mit dem oberen Flansch (30) verschweißt ist und dieser wiederum am Zuströmrohr (4) angeschweißt ist, während das untere Rohrstück (9) durch den am oberen Rohrstück (8) angeschweißten unteren Flansch (32) mittels Schrauben (31), weiche am oberen Flansch (30) angeheftet sind, lösbar verbunden ist.

   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen