DE10024348A1 - Längsstromreaktor mit einem Kontaktrohrbündel - Google Patents
Längsstromreaktor mit einem KontaktrohrbündelInfo
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Abstract
Es wird ein Reaktor (1) mit einem Kontaktrohrbündel (2) vorgeschlagen, durch dessen die Kontakrohre umgebenden Raum ein Wärmetauschmittelkreislauf geleitet wird, mit Ringleitungen (3, 4) an beiden Reaktorenden mit Mantelöffnungen (5, 6) für die Zu- bzw. Abführung eines Wärmetauschmittels mittels einer oder mehrerer Pumpen gegebenenfalls unter Überleitung des Wärmetauschmittels oder eines Teilstroms des Wärmetauschmittels über einen oder mehrere außenliegende Wärmetauscher, wobei das Wärmetauschmittel der unteren Ringleitung (4) zugeführt und über die obere Ringleitung (3) zur (zu den) Pumpe(n) zurückgeführt wird, sowie mit je einer Drosselscheibe (7, 8) im die Kontaktrohre umgebenden Raum auf die der Höhe der unteren und der oberen Ringleitung (3, 4), wobei in den Raum zwischen den Drosselscheiben (7, 8) Füllkörper eingebracht sind.
Description
Die Erfindung betrifft einen Reaktor mit einem Kontaktrohrbündel, durch dessen
die Kontaktrohre umgebenden Raum ein Wärmetauschmittelkreislauf geleitet
wird sowie die Verwendung des Reaktors zur Durchführung von
Oxidationsreaktionen.
Die übliche Bauart gattungsgemäßer Reaktoren besteht aus einem, in der Regel
zylinderförmigen Behälter, in dem ein Bündel, d. h. eine Vielzahl von
Kontaktrohren, in üblicherweise vertikaler Anordnung untergebracht ist. Diese
Kontaktrohre, die gegebenenfalls geträgerte Katalysatoren enthalten können, sind
mit ihren Enden in Rohrböden abdichtend befestigt und münden in jeweils eine
am oberen bzw. am unteren Ende mit dem Behälter verbundene Haube. Über
diese Hauben wird das die Kontaktrohre durchströmende Reaktionsgemisch zu-
bzw. abgeführt. Durch den die Kontaktrohre umgebenden Raum wird ein
Wärmetauschmittelkreislauf geleitet, um die Wärmebilanz, insbesondere bei
Reaktionen mit starker Wärmetönung, auszugleichen.
Aus wirtschaftlichen Gründen werden Reaktoren mit einer möglichst großen Zahl
von Kontaktrohren eingesetzt, wobei die Zahl der untergebrachten Kontaktrohre
häufig im Bereich von 10000 bis 50000 liegt.
Bezüglich des Wärmetauschmittelkreislaufs ist es bekannt, in jedem waagerechten
Schnitt des Reaktors eine weitgehend homogene Temperaturverteilung des
Wärmetauschmittels zu realisieren, um möglichst alle Kontaktrohre gleichmäßig
am Reaktionsgeschehen zu beteiligen (z. B. DE-C 16 01 162). Der Glättung der
Temperaturverteilung dient die Wämezuführung bzw. Wärmeabführung über
jeweils an den Reaktorenden angebrachten äußeren Ringleitungen mit einer
Vielzahl von Mantelöffnungen, wie sie beispielsweise in DE-C 34 09 159
beschrieben sind.
Eine weitere Verbesserung des Wärmeüberganges wird durch den Einbau von
Umlenkscheiben erreicht, die abwechselnd in der Reaktormitte und am
Reaktorrand einen Durchtrittsquerschnitt freilassen. Eine derartige Anordnung ist
insbesondere für ringförmig angeordnete Rohrbündel mit einem freien zentralen
Raum geeignet und beispielsweise aus GB-B 31 01 75 bekannt.
In großen Reaktoren mit einer Zahl von Kontaktrohren im oben angegebenen
Bereich von etwa 10000 bis 50000, die zusätzlich mit Umlenkscheiben
ausgestattet sind, ist der Druckverlust des Wärmetauschmittels vergleichsweise
sehr groß. So muß die zum Abtransport der bei Oxidationsreaktionen
freiwerdenden Wärme häufig verwendete eutektische Salzschmelze von
Kaliumnitrat und Natriumnitrit, die bei einer Anwendungstemperatur von
bevorzugt ca. 250°C bis 400°C eine wasserähnliche Viskosität aufweist, in einen
Reaktor der oben erwähnten Größe mit einer Förderhöhe von ca. 4 bis 5 m
gepumpt werden, um den Druckverlust zu überwinden.
Der hohe Druckverlust kann durch Verzicht auf den Einbau von Umlenkscheiben
und somit auf die Querstromführung des Wärmetauschmittels reduziert werden.
Der Verzicht auf Umlenkscheiben ergibt eine Längsströmung des
Wärmetauschmittels durch den die Kontaktrohre umgebenden Raum. Durch
Abbremsen des Wärmetauschmittels an den Rohrwänden bildet sich ein
Strömungsprofil in Längsrichtung aus mit der Folge, daß der Wärmeübergang
zunehmend schlechter wird, mit negativen Auswirkungen auf die Selektivität der
Reaktion und die Katalysatorstandzeit.
Aufgabe der Erfindung war es demgegenüber, einen Reaktor mit
Längsstromführung des Wärmetauschmittels zur Verfügung zu stellen, der einen
verbesserten Wärmeübergang an den Rohrwänden des Kontaktrohrbündels
gewährleistet und die oben genannten Mängel bei Reaktoren mit
Längsstromführung nicht aufweist.
Die Lösung geht aus von einem Reaktor mit einem Kontaktrohrbündel, durch
dessen die Kontaktrohre umgebenden Raum ein Wärmetauschmittelkreislauf
geleitet wird, mit Ringleitungen an beiden Reaktorenden mit Mantelöffnungen für
die Zu- bzw. Abführung eines Wärmetauschmittels mittels einer oder mehrerer
Pumpen gegebenenfalls unter Überleitung des Wärmetauschmittels oder eines
Teilstroms des Wärmetauschmittels über einen oder mehrere außenliegende
Wärmetauscher, wobei das Wärmetauschmittel der unteren Ringleitung zugeführt
und über die obere Ringleitung zur (zu den) Pumpe(n) zurückgeführt wird, sowie
mit je einer Drosselscheibe im die Kontaktrohre umgebenden Raum auf der Höhe
der unteren und der oberen Ringleitung.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in den Raum zwischen den
Drosselscheiben Füllkörper eingebracht sind.
Es wurde gefunden, daß durch Einbringen von Füllkörpern in den von
Wärmetauschmitel durchströmten Raum zwischen den Drosselscheiben eine
wesentliche Verbesserung des thermischen Übergangs und einer
Vergleichmäßigung der Temperatur über den Reaktorquerschnitt mit der Folge
einer verbesserten Selektivität der Reaktion, einer Absenkung des Hot-spots und
somit eine Erhöhung der Katalysatorstandzeit erreicht werden konnte.
Die erfindungsgemäß eingebrachten Füllkörper stören die Längsströmung des
Wärmetauschmittels, insbesondere in der für den Wärmeübergang besonders
wichtigen Grenzschicht an den Rohrwänden. Überraschend wurde gefunden, daß
dabei der Wärmeübergangskoeffizient wesentlich ansteigt, und zwar auf Werte im
Bereich des zwei- bis sechsfachen bezogen auf denselben Apparat ohne
Füllkörper.
Reaktoren mit einem Kontaktrohrbündel sowie mit einem
Wärmetauschmittelkreislauf durch den Zwischenraum zwischen den
Kontaktrohren, mit Abführung und Zuführung des Wärmetauschmittels jeweils
über eine Ringleitung an den beiden Reaktorenden sind bekannt. Bekannt ist auch,
zur Vergleichmäßigung der Verteilung des Wärmetauschmittels über den
Reaktorquerschnitt nach der Zuleitung über die erste Ringleitung und vor der
Ableitung über die zweite Ringleitung Drosselscheiben, d. h. in der Regel
Lochbleche mit einer geeigneten Anzahl und Größe von Öffnungen für den
Durchtritt und die Vergleichmäßigung der Strömung des Wärmetauschmittels
über den Reaktorquerschnitt vorzusehen.
Erfindungsgemäß werden in den von Wärmetauschmittel durchströmten Raum
zwischen den beiden Drosselscheiben Füllkörper eingebracht. Das
Wärmetauschmittel durchströmt nun die zwischen den Füllkörpern verbleibenden
Öffnungen und Kanäle, wobei der Wärmeaustausch mit den Wänden der
Kontaktrohre durch die Füllkörper bedeutend verbessert ist.
Bei großen Reaktoren, d. h. mit Kontaktrohren im angegebenen Bereich von etwa
10000 bis 50000, wird das Wärmetauschmittel, in der Regel eine Salzschmelze
üblicherweise über die untere Ringleitung zugeführt und über die obere
Ringleitung abgeführt.
Um eine verbesserte Verteilung des Wärmetauschmittels über den
Reaktorquerschnitt und somit eine verbesserte Isothermie über den
Reaktorquerschnitt zu gewährleisten, wird bevorzugt die untere Drosselscheibe
auf der Höhe des oberen Endes der unteren Ringleitung und/oder die obere
Drosselscheibe auf der Höhe des unteren Endes der oberen Ringleitung
angeordnet. Dadurch, daß Füllkörper lediglich in den Raum zwischen den beiden
Drosselscheiben eingebracht werden, steht somit ein Leerraum zur Verfügung,
über den sich das Wärmetauschmittel weitgehend gleichmäßig über den
Reaktorquerschnitt verteilen kann. Der leere Raum unterhalb der unteren und/oder
oberhalb der oberen Drosselscheibe liegt jeweils im Bereich von ca. 1/10 bis 1/3
der gesamten zylindrischen Reaktorlänge.
Die Füllkörper können in einer bevorzugten Ausführungsvariante metallische
Packungen sein, wie sie beispielsweise aus der Destillationstechnik bekannt sind.
Es ist jedoch auch möglich, Metallschäume einzusetzen. Dabei ist stets zu
beachten, daß das Wärmetauschmittel den mit Füllkörper gefüllten Raum noch
durchströmen kann. Weiterhin ist es möglich, Füllkörper in Form von Geweben
einzubringen.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist es möglich, als Füllkörper ein bevorzugt
keramisches Schüttgut einzubringen, insbesondere in Form von Ringen oder
Kugeln. Kugelförmige Füllkörper sollen einen Durchmesser entsprechend der
Ungleichung
d < (t - da)/2,
wobei t die Teilung, d. h. den Mittelpunktsabstand zweier benachbarter Rohre und
da den Außendurchmesser der Kontaktrohre bezeichnet.
da den Außendurchmesser der Kontaktrohre bezeichnet.
Bevorzugt werden kugelförmige Füllkörper mit einem Durchmesser d von 2 bis
10 mm eingesetzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist es möglich, die Isothermie über
den Reaktorquerschnitt dadurch weiter zu verbessern, das im Zentralbereich des
Reaktors über die gesamte Reaktorhöhe, ein Raum ohne Reaktion vorgesehen ist,
insbesondere mittels Einbringen eines Dummy-Körpers in den zentralen Bereich
des Reaktors im Raum zwischen den Kontaktrohren und/oder mittels Blindrohren
im zentralen Bereich des Reaktors.
In bevorzugter Weise wird das Reaktionsgemisch vor der Zuführung zum Reaktor
mittels eines außen liegenden Wärmetauschers auf die
Wärmetauschmitteleintrittstemperatur in den Reaktor vorgewärmt.
Besonders bevorzugt werden Reaktionsgemisch und Wärmetauschmittel im
Gleichstrom geführt. Dabei wird der Reaktor bevorzugt von oben nach unten
durchströmt. Es ist jedoch auch möglich, Reaktionsgemisch und Wärme
tauschmittel im Gegenstrom zu führen.
In besonders geeigneter Weise kann das Wärmetauschmittel der unteren
Ringleitung zugeführt und über die obere Ringleitung zu der (den) Pumpe(n)
zurückgeführt werden, indem die obere und untere Ringleitung jeweils mittels
einer zylindermantelförmigen Zwischenwand in eine innere und eine äußere
Ringleitung geteilt werden und das Wärmetauschmittel der äußeren unteren
Ringleitung, über einen Bereich außerhalb des Reaktors der inneren oberen
Ringleitung, über deren Mantelöffnungen dem die Kontaktrohre umgebenden
Raum zugeführt über die Mantelöffnungen in die innere untere Ringleitung und
anschließend über einen Bereich außerhalb des Reaktors über die äußere obere
Ringleitung abgeführt wird.
Der Reaktor ist nicht eingeschränkt bezüglich der Art des Wärmetauschmittels;
dieses kann gleichermaßen zur Abführung von Wärme, d. h. zur Durchführung
exothermer Reaktionen, wie auch für die Zuführung von Wärme an das die
Kontaktrohre durchströmende Reaktionsgemisch, d. h. zur Durchführung
endothermer Reaktionen, eingesetzt werden.
Der Reaktor ist besonders geeignet zur Durchführung von Oxidatonsreaktionen,
insbesondere zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid,
Glyoxal, (Meth)acrolein und (Meth)acrylsäure.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung und eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt in der linken Hälfte einen erfindungsgemäßen Reaktor mit
Gegenstromführung von Reaktionsgemisch und Wärmetauschmittel und in der
rechten Hälfte eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante mit
Gleichstromführung von Reaktionsgemisch und Wärmetauschmittel, jeweils von
oben nach unten durch den Reaktor.
Der im Längsschnitt schematisch dargestellte Reaktor 1 enthält ein vertikales
Kontaktrohrbündel 2, mit unterer Ringleitung 4, der Wärmetauschmittel zugeführt
wird, sowie mit oberer Ringleitung 3, über die Wärmetauschmittel abgeführt wird,
wobei die Zu- bzw. Abführung des Wärmetauschmittels über Mantelöffnungen 5
bzw. 6 erfolgt, sowie mit einer unteren Drosselscheibe 7 und einer oberen
Drosselscheibe 8. Erfindungsgemäß ist der Raum zwischen den Drosselscheiben
durch Füllkörper, die in der Zeichnung als Schraffur dargestellt sind, gefüllt.
In der bevorzugten Ausführungsvariante gemäß der rechten Seite der
schematischen Darstellung in der Figur ist die obere Ringleitung durch eine
zylindermantelförmige Zwischenwand 9 in eine innere obere Ringleitung 11 und
eine äußere obere Ringleitung 12 getrennt; analog ist die untere Ringleitung 4
mittels der zylindermantelförmigen Zwischenwand 10 in eine innere untere
Ringleitung 13 und eine äußere untere Ringleitung 14 getrennt.
In einem Reaktor zur Herstellung von Glyoxal wurde durch Einbringen von Pall-
Ringen in den Zwischenraum zwischen den Kontaktrohren der Wert des
Wärmeübergangskoeffizienten verdoppelt, der Hot-spot um 40°C abgesenkt und
die Ausbeute um 2% angehoben. Durch die bessere Temperaturverteilung konnte
der Reaktor mit höherer Belastung gefahren werden; die Kapazitätserhöhung
betrug 10 bis 15%.
Claims (10)
1. Reaktor (1) mit einem Kontaktrohrbündel (2), durch dessen die
Kontaktrohre umgebenden Raum ein Wärmetauschmittelkreislauf geleitet
wird, mit Ringleitungen (3, 4) an beiden Reaktorenden mit Mantelöffnungen
(5, 6) für die Zu- bzw. Abführung eines Wärmetauschmittels mittels einer
oder mehrerer Pumpen gegebenenfalls unter Überleitung des
Wärmetauschmittels oder eines Teilstroms des Wärmetauschmittels über
einen oder mehrere außenliegende Wärmetauscher, wobei das
Wärmetauschmittel der unteren Ringleitung (4) zugeführt und über die
obere Ringleitung (3) zur (zu den) Pumpe(n) zurückgeführt wird, sowie
mit je einer Drosselscheibe (7, 8) im die Kontaktrohre umgebenden Raum
auf der Höhe der unteren und der oberen Ringleitung (3, 4), dadurch
gekennzeichnet, daß in den Raum zwischen den Drosselscheiben (7, 8)
Füllkörper eingebracht sind.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere
Drosselscheibe (7) auf der Höhe des oberen Endes der unteren Ringleitung
(4) und/oder die obere Drosselscheibe (8) auf der Höhe des unteren Endes
der oberen Ringleitung (3) angeordnet ist.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Füllkörper metallische Packungen sind.
4. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Füllkörper ein bevorzugt keramisches Schüttgut sind, insbesondere in Form
von Ringen oder Kugeln.
5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß kugelförmige
Füllkörper mit einem Durchmesser von 2 bis 10 mm eingesetzt werden.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im
Zentralbereich des Reaktors, über die gesamte Reaktorhöhe, ein Raum ohne
Reaktion vorgesehen ist, insbesondere mittels Einbringen eines
Dummy-Körpers in den zentralen Bereich des Reaktors im Raum zwischen
den Kontaktrohren und/oder mittels Blindrohren im zentralen Bereich des
Reaktors.
7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Reaktionsgemisch vor dessen Zuleitung in die Kontaktrohre auf die
Wärmetauschmitteleintrittstemperatur in den Reaktor vorgewärmt wird.
8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine
Gleichstromführung von Reaktionsgemisch und Wärmetauschmittel.
9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
Reaktionsgemisch von oben nach unten durch die Kontakrohre geführt wird
und daß das Wärmetauschmittel der unteren Ringleitung (4) zugeführt und
über die obere Ringleitung (3) zu der(n) Pumpe(n) zurückgeführt wird,
wobei die obere (3) und untere (4) Ringleitung jeweils mittels einer
zylindermantelförmigen Zwischenwand (9, 10) in eine innere (11, 13) und
eine äußere (12, 14) Ringleitung geteilt sind, und daß das
Wärmetauschmittel der äußeren unteren Ringleitung (14), über einen
Bereich außerhalb des Reaktors der inneren oberen Ringleitung (11), über
deren Mantelöffnungen (5) dem die Kontakrohre (2) umgebenden Raum
zugeführt, über die Mantelöffnungen (6) in die innere untere Ringleitung
(13) und anschließend über einen Bereich außerhalb des Reaktors über die
äußere obere Ringleitung (12) abgeführt wird.
10. Verwendung des Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur
Durchführung von Oxidationsreaktionen, insbesondere zur Herstellung von
Phthalsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, Glyoxal, (Meth)acrolein oder
(Meth)acrylsäure.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8130 | Withdrawal |