Daher
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und
einem Rohrbündelreaktor,
bei denen den Reaktionsrohren zur Durchführung endothermer oder exothermer
Gasphasenreaktionen ein Reaktionsgasgemisch zugeführt wird, die
Produktreinheit zu verbessern und dabei die sonstigen Produktionsparameter
nicht zu verschlechtern.
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch
1 und einem Rohrbündelreaktor
gemäß Anspruch
6 gelöst.
Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Verweilzeitverhalten
des Reaktionsgasgemisches entlang der Katalysatorfüllung, die
im folgenden auch als Katalysatorschüttung bezeichnet wird, wesentlich
für die
Reaktionsführung
ist. Insbesondere bei Reaktionen, die mit einer deutlichen Zunahme der
Fluiddichtebedingt durch eine Abnahme der Molzahl und/oder durch
einen teilweisen Phasenwechel von gasförmig zu flüssig – verbunden sind, verringert sich
die Strömungsgeschwindigkeit
mit zunehmender Tiefe der Katalysatorschüttung. Ein Beispiel hierfür ist die
Synthese von Kraftstoffen aus Synthesegas, bekannt als Fischer-Tropsch-Synthese.
Infolge der Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit
erhöht
sich entsprechend die Verweilzeit des Reaktionsgasgemisches in der
aktiven Katalysatorschüttung
mit zunehmender Tiefe. Eine lange Verweilzeit bedeutet, daß den Gaskomponenten
ein langer Zeitraum für
Reaktionen zur Verfügung
steht. Da jedoch in diesen relativ tiefen Bereichen in der aktiven
Katalysatorschüttung
bereits ein hoher Anteil an gebildetem Produkt im Reaktionsgasgemisch
enthalten ist, werden durch lange Verweilzeiten nicht nur die gewünschten
Reaktionen, sondern auch weiterführende
Reaktionen von bereits gebildetem Produkt zu unerwünschten
Nebenprodukten begünstigt,
so z. B. bei der Fischer-Tropsch-Synthese
die Bildung von unerwünscht
langkettigen Molekülen.
Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist
eine definierte Einflußnahme
auf das Verweilzeitverhalten des Reaktionsgasgemisches entlang der Katalysatorschüttung und
damit eine Verbesserung der Reaktionsführung möglich. Mit der erfindungsgemäßen gezielten
Zudosierung festgelegter Teilstrom-Sollmengen von nicht oder nur
wenig umgesetztem Reaktionsgasgemisch an Stellen in der Katalysatorschüttung, an
denen die Strömungsgeschwindigkeit
zu gering, d. h. die Verweilzeit für einen günstigen Reaktionsverlauf zu
lang wäre,
kann dort die Strömungsgeschwindigkeit
erhöht
und damit die Verweilzeit verringert und dadurch die Bildung unerwünschter
Nebenprodukte erschwert werden. Dabei wird vermieden, daß Verbesserungen
der Reaktionsführung
an den einen Stellen zu Verschlechterungen an anderen Stellen führen, indem
eine optimale Geschwindigkeitsverteilung über die gesamte Katalysatorschüttung eingestellt
wird. So ist gewährleistet, daß das Verweilzeitverhalten
des Reaktionsgasgemisches in der Katalysatorschüttung insgesamt verbessert
ist. Dafür
ist es wesentlich, nicht nur die Sollmengen und Zudosierstellen
der einzelnen Teilströme
zu definieren, sondern auch die Zudosiereinrichtungen entsprechend
so auszulegen, daß sich
diese Sollmengenströme
auch tatsächlich
einstellen. Dieses wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die jeweils
anliegende Druckdifferenz zwischen Ein- und Austritt der Zudosiereinrichtung
für die
einzelnen Teilströme
ermittelt wird und der Strömungswiderstand der
Zudosiereinrichtung für
jede Stelle der Zudosierung so angepaßt wird, daß er dieser jeweiligen Druckdifferenz
entspricht. Auf diese Weise wird der Anteil an Nebenprodukten deutlich
verringert und damit die Produktreinheit deutlich verbessert. Gleichzeitig
wird eine gleichmäßigere Belastung
der Katalysatorschüttung
erreicht, was z. B. die Katalysatorlebensdauer und die Raum/Zeit-Ausbeute
erhöht.
Darüber hinaus
kann durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
der Gesamtdruckverlust des Reaktors gegenüber einem von der Rohrgeometrie her
gleichen konventionellen Reaktor, der die erfindungsgemäße Zudosierung
nicht aufweist, gezielt verringert werden. Durch die erfindungsgemäße Bildung
von Teilstrom-Sollmengen, die erst an in Strömungsrichtung tiefergelegenen
Stellen zugeführt werden,
kann die Strömungsgeschwindigkeit
vor den Dosierstellen um ein jeweils vorgegebenes Maß reduziert
werden. Da die Strömungsgeschwindigkeit quadratisch
in den Druckverlust eingeht, kann durch eine geeignete Reduzierung
der Strömungsgeschwindigkeit
im Anfangsbereich der Katalysatorschüttung die gewünschte Zunahme
der Geschwindigkeit im Endbereich in bezug auf den Druckverlust überkompensiert
werden, d. h. die Abnahme des Druckverlustes im Anfangsbereich ist
dann größer als
die Zunahme des Druckverlustes im Endbereich, und dies bei Ausnutzung
der gesamten Katalysatorfüllung.
Eine Abnahme des Gesamtdruckverlusts über den Reaktor ist die Folge,
was wiederum den technischen Aufwand und die Betriebskosten senkt.
Soll
andererseits ein Reaktor ausgelegt werden, der einen vorgegebenen
Druckverlust nicht überschreiten
soll, so kann mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen bei gleichem Katalysatorvolumen ein
Rohrbündel
mit weniger und dafür
längeren
Rohren gegenüber
einem konventionellen Reaktor verwendet werden. Daraus ergibt sich
eine leichtere und kostengünstigere
Bauweise des Reaktors.
Bei
späteren Änderungen
in der Betriebsweise des Reaktors, z. B. Austausch des Katalysators für höhere Leistungen
oder für
anderes Pro- oder Edukt, können
die Prozeßbedingungen
in einfacher Weise durch modifizierte Zudosiereinrichtungen neu angepaßt werden,
ohne Änderungen
am Reaktor selbst vornehmen zu müssen.
Solche Änderungen sind
in der Regel mit einem großen
Aufwand verbunden.
Bei
dem aus der US-3,268,299 bekannten Reaktionsrohrbündel stellt
sich eine planmäßige, insbesondere
eine gleichmäßige Zudosierung
von Teilstrommengen nicht ein. In der Realität ergeben sich zufällige Zudosiermengen.
Denn eine gleichmäßige Abströmung entlang
der Gasaustrittsöffnungen
des Dosierrohrs kann sich nur einstellen, wenn die Gasaustrittsöffnungen
in einen Raum münden,
der einen annähernd
konstanten Druck entlang des Dosierrohrs aufweisen würde. Das
ist bei einem katalysatorgefülltem
durchströmten
Reaktionsrohr jedoch nicht der Fall, da sich bedingt durch den Druckverlust
der Katalysatorfüllung
ein Druckgradient längs
des Reaktionsrohrs einstellt.
2 zeigt
qualitativ die sich tatsächlich
einstellenden Druckverläufe
in den aus US-3,268,299 bekannten Dosierrohren und Reaktionsrohren
im Falle großer
Gasaustrittsöffnungen,
wie sie dort in 6 oder 7 dargestellt
sind. Die Kurve pI stellt den (leicht abfallenden)
Druckverlauf im Dosierrohr und Kurve pII den
Druckverlauf in der Katalysatorschüttung dar. Da ein Fluidstrom
sich stets den Weg des geringsten Widerstands sucht, und der Strömungswiderstand
der Katalysatorschüttung
deutlich höher
ist als der des Dosierrohrs, strömt
im Anfangsbereich der Katalysatorschüttung nur sehr wenig Reaktionsgasgemisch
aus dem Dosierrohr in die Katalysatorschüttung. Dementsprechend ist
dort auch der Druckabfall an den Gasaustrittsöffnungen und somit die sich
einstellende Druckdifferenz ΔpA, Δp
zwischen Dosierrohr und Katalysatorschüttung sehr gering. Wegen der
geringen in der Katalysatorschüttung strömenden Gasmenge
ist auch der Druckabfall in der Katalysatorschüttung klein, was bewirkt, daß die Druckdifferenz Δp an den
Gasaustrittsöffnungen
und somit die durchströmende
Gasmenge zunächst
nur sehr langsam mit der Tiefe bzw. Länge l der Katalysatorschüttung ansteigt.
Der Druckabfall in der Katalysatorschüttung vergrößert sich somit auch nur langsam.
Erst
im letzten Teil des Dosierrohrs strömt der überwiegende Teil des Reaktionsgasgemisches in
die Katalysatorschüttung,
da von hier aus der Weg durch die verbleibende Tiefe der Katalysatorschüttung am
kürzesten
und daher der Strömungswiderstand
am geringsten ist. Der im Endbereich der Katalysatorschüttung stark
ansteigende Mengenstrom erzeugt nun einen deutlichen Druckabfall
in der Katalysatorschüttung
und erhöht
die Druckdifferenz an den letzten Gasaustrittsöffnungen des Dosierrohrs. Dadurch
wird die Tendenz zu einem großen
Gasdurchsatz durch die letzten Gasaustrittsöffnungen des Dosierrohrs noch
verstärkt.
Die
in US-3,268,299 beschriebene Dosiereinrichtung mit großen Öffnungsquerschnitten
ist somit für
eine gleichmäßige Verteilung
des Reaktionsgasgemisches über
die Dosierrohrlänge
nicht geeignet. Vielmehr wird der größte Teil – der Anfangs- und der Mittelbereich – der mit
der Dosiereinrichtung ausgestatteten Katalysatorschüttung kaum
vom Reaktionsgasgemisch durchströmt,
d. h. der Anfangs- und der
Mittelbereich der Katalysatorschüttung
wird für die
Reaktion praktisch nicht genutzt, während der größte Teil
des Reaktionsgasgemisches direkt in den hinteren bzw. Endbereich
der Katalysatorschüttung geführt wird,
der damit überbeansprucht
wird.
Werden
die Gasaustrittsöffnungen
kleiner ausgeführt,
wie in 2 von US-3,268,299
dargestellt, erhöht
sich deren Strömungswiderstand.
Bedingt durch den hohen Druckverlust der Gasaustrittsöffnungen
wird nun auch ein Abströmen
an den vorderen, im Gaseintrittsbereich des Dosierrohrs liegenden
Gasaustrittsöffnungen
erzwungen, wie in 3 qualitativ dargestellt. Dies
führt zu
einer Verbesserung in der Gleichmäßigkeit der Abströmung, jedoch ist
die Abströmung
am Ende des Dosierrohrs immer noch beträchtlich größer als am Anfangsbereich. Darüber hinaus
ist hierbei aufgrund des deutlich gestiegenen Gesamtdruckverlustes
ein höherer
Eingangsdruck p0 erforderlich, was den technischen
Aufwand und die Kosten erhöht.
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielshalber
noch näher
erläutert. Es
zeigen:
1 einen
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktor;
2 ein
Schaubild, das für
einen Rohrbündelreaktor
aus dem Stand der Technik die Druckdifferenz Δp zwischen dem Dosierrohr und
der Katalysatorfüllung
darstellt;
3 ein
der 2 ähnliches
Schaubild mit einem höheren
Eingangsdruck p0, für einen Rohrbündelreaktor
aus dem Stand der Technik;
4 ein
der 2 ähnliches
Schaubild für den
erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktor
aus 1, wobei die Druckdifferenz Δp zwischen dem Eingangsdruck
p0 und der Katalysatorfül lung dargestellt ist;
5a,
b, c jeweils einen Längsschnitt
durch ein Reaktionsrohr mit einer darin angeordneten Zudosiereinrichtung,
gemäß einer
zweiten, dritten bzw. vierten Ausführungsform der Erfindung;
5d eine
Draufsicht auf das Reaktionsrohr aus 5a längs Pfeilen
Vd;
6 einen
abgebrochenen Längsschnitt durch
ein Reaktionsrohr mit einer darin angeordneten Zudosiereinrichtung,
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung;
7 ein
Schaubild ähnlich 4,
für das Reaktionsrohr
aus 6;
8a Teillängsschnitte
durch die Zudosiereinrichtung aus 6, in konstruktiv
ausgebildeter Darstellung;
8b einen
Querschnitt durch die Zudosiereinrichtung aus 8a längs Linie
VIIIb-VIIIb;
9 einen
Längsschnitt
durch ein Reaktionsrohr mit einer darin angeordneten Zudosiereinrichtung,
gemäß einer
sechsten Ausführungsform der
Erfindung;
10a einen Längsschnitt
durch ein Reaktionsrohr mit einer darin angeordneten Zudosiereinrichtung,
gemäß einer
siebten Ausführungsform
der Erfindung;
10b eine Draufsicht auf das Reaktionsrohr aus 10a längs
Linie Xb-Xb;
10c das Detail Xc aus 10a in
vergrößerter Darstellung
und
10d eine Untersicht des Details Xc in 10c, längs
Pfeil Xd.
Die
in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors 1 weisen
ein Rohrbündel 2 mit
einer Vielzahl katalysatorgefüllter
Reaktionsrohre 3 auf, die sich zwischen einem oberen Rohrboden 4 und
einem unteren Rohrboden 5 vertikal erstrecken und von einem
zylindrischen Mantel 6 umschlossen sind. An den beiden
Enden der Reaktionsrohre 3 sind deren Außenseiten
mit dem jeweiligen Rohrboden 4, 5 gasdicht verschweißt. Der
obere Rohrboden 4 wird von einer Gaseintrittshaube 7 und
der untere Rohrboden 5 von einer Gasaustrittshaube 8 überspannt.
Über die
Gaseintrittshaube 7 wird ein Reaktionsgasgemisch 9 in
das Rohrbündel 2 eingeleitet. Nach
Durchströmung
des Rohrbündels 2 wird
das umgesetzte Reaktionsgasgemisch 9a mittels der Gasaustrittshaube 8 aus
dem Rohrbündelreaktor 1 abgeleitet.
Die
Reaktionsrohre 3 werden von einem Wärmeträger umspült, der durch Stutzen 10 in
das Reaktionsrohrbündel 2 eingeleitet
und aus diesem abgeleitet wird und auf unterschiedlichen Strömungswegen
durch das Reaktionsrohrbündel 2 geführt werden
kann. Die Strömungsführung des
Wärmeträgers kann
auf jede geeignete Weise erfolgen und ist in keiner Weise eingeschränkt.
Bei
dem in 1 gezeigten Rohrbündelreaktor 1 sind
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
lediglich sechs Reaktionsrohre 3 in vergrößertem Maßstab dargestellt.
Tatsächlich
ist die Anzahl der Reaktionsrohre 3 in einem solchen Längsschnitt
um ein Vielfaches größer.
In
jedem Reaktionsrohr 3 ist ein Dosierrohr 11 zentrisch
angeordnet. Der Zwischenraum zwischen der Außenwandung des Dosierrohrs 11 und der
Innenwandung des Reaktionsrohrs 3 ist mit Katalysatorpartikeln 12 gefüllt. Der
Innenraum des Dosierrohrs 11 ist frei von Katalysatorpartikeln 12.
Am gaseintrittsseitigen Ende der Reaktionsrohre 3 ist der Zwischenraum
zwischen Dosierrohr 11 und Reaktionsrohr 3 offen,
so daß Reaktionsgasgemisch 9 dort in
die Anfangsfläche 13 der
Katalysatorfüllung 12 eintreten
kann.
Das
Dosierrohr 11 weist ein offenes Ende 14 auf, das
aus dem Reaktionsrohr 3 vorragt und auf dem ein Partikelfilter 15 angeordnet
ist, der das Eindringen von festen Teilchen in das Dosierrohr 11 und dadurch
eventuell auftretende Verstopfungen verhindert. Das andere Ende 16 des
Dosierrohrs 11 ist geschlossen und erstreckt sich bis zu
einem vorgegebenen Abstand vom Ende der Katalysatorschüttung 12 in
diese hinein.
Die
in 1 dargestellten Dosierrohre 11 weisen
jeweils an drei Stellen (Stellen 1, 2, 3) längs ihrer Länge Gasaustrittsöffnungen 17 in
ihrer Umfangswand auf, durch die hindurch Reaktionsgasgemisch in
die Katalysatorfüllung 12 austritt.
Das
in die Gaseintrittshaube 7 eintretende Reaktionsgasgemisch 9 weist
dort einen Anfangsdruck p0 auf, mit dem
es sowohl in die Dosierrohre 11 als auch neben den Dosierrohren 11 unmittelbar
in die freie Stirnfläche
bzw. die Anfangsfläche 13 der Katalysatorfüllung 12 eintritt.
Das
bedeutet also, daß der
ein Reaktionsrohr 3 durchströmende Reaktionsgasgemischstrom 9 in
einen ersten Teilstrom V1, der neben dem
Dosierrohr 11 in das Reaktionsrohr 3 und dort
in die Anfangsfläche 13 der
Katalysatorfüllung 12 eintritt,
und in einen (zunächst)
zweiten Teilstrom geteilt wird, der durch den Partikelfilter 15 in
das Dosierrohr 11 eintritt.
Der
erste Teilstrom V1 durchströmt die Katalysatorfüllung 12 auf
deren gesamten Länge
Lz. Der durch das Dosierrohr 11 strömende zweite
Teilstrom wird seinerseits in drei Teilströme V2,
V3 und V4 aufgeteilt,
die längs
der Dosierrohrlänge
verteilt an den jeweiligen Stellen der Zudosierung (Stellen 1, 2,
3) bzw. durch die Gasaustrittsöffnungen 17 in
die Katalysatorfüllung 12 austreten.
In 4 ist
der Druckverlauf pII in der Katalysatorfüllung 12 dargestellt.
Nach den Stellen der Zudosierung bzw. der Teilung in Teilströme (Stellen
0, 1, 2, 3) stellt sich jeweils ein stetig abnehmender Druckverlauf
pII ein. Der Druckverlust ist direkt nach
einer Zudosierstelle jeweils relativ stark, d. h. die Druckverlaufskurve
pII fällt
relativ stark ab, und wird dann immer flacher. Der Grund hierfür liegt
darin, daß das Reaktionsgasgemisch 9 unter
Einwirkung des Katalysators 12 reagiert, wobei ein Volumendefekt
auftritt in Folge der Umsetzung teilweise in Flüssigkeit und/oder in Folge
einer reaktionsbedingten Verminderung der Molzahl. Dadurch nimmt
die Strömungsgeschwindigkeit
und damit auch der Druckverlust ab.
Um
ein gewünschtes
Verweilzeitverhalten zu erzielen, werden die Stellen der Zudosierung
(Stellen 0, 1, 2, 3) und die Sollmengen der Teilströme (V1, V2, V3,
V4) festgelegt. Daraus wird die Druckverlaufskurve
pII der Katalysatorfüllung 12 iterativ
ermittelt.
Dadurch,
daß die
Zudosierstellen (Stellen 1, 2, 3) in die Bereiche mit verringerter
Strömungsgeschwindigkeit
gelegt und dort geeignet festgelegte Teilstrommengen V2,
V3, V4 in die Katalysatorfüllung 12 eingeleitet
werden, kann in solchen Bereichen die Strömungsgeschwindigkeit wieder
gesteigert, d. h. der Druckverlust wieder erhöht, und dadurch die Verweilzeit
des Reaktionsgasgemisches 9 verkürzt werden. An den Zudosierstellen
(Stellen 1, 2, 3) herrschen in der Katalysatorfüllung die Drücke p1, p2, p3.
Dabei
wird die gewünschte
Teilstrom-Sollmenge durch ein erfindungsgemäßes Einstellen der Strömungswiderstände der
Gasaustrittsöffnungen 17 zugeführt. Die
Reibungs- und Abzweigdruckverluste seien hierbei vernachlässigbar
klein, so daß der Druck
längs des
Dosierrohrs 11 als konstant angesehen werden kann. Der
Strömungswiderstand
des Partikelfilters sei für
dieses Anführungsbeispiel
ebenfalls vernachlässigbar
klein. Der gesamte für
die jeweilige Zudosierstelle erforderliche Strömungswiderstand muß dann von
dort vorhandenen Gasaustrittsöffnungen 17 aufgebaut
werden, d. h. diese sind als horizontal wirkende Drosseln ausgebil det.
Deren Strömungswiderstand
wird mittels Durchströmungsquerschnitt
und Widerstandsbeiwert in diesem Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß so eingestellt, daß er bei
der für
die jeweilige Drossel vorgegebenen Teilstrom-Sollmenge der Druckdifferenz
entspricht, die zwischen dem Anfangsdruck p0 in
der Gaseintrittshaube 7 und dem Druck in der Katalysatorfüllung 12 and
der Stelle der Drossel vorhanden ist. Diese Druckdifferenzen sind
in 4 als Δp1, Δp2 und Δp3 dargestellt.
Der
Anfangsdruck p0 liegt am gaseintrittsseitigen
Ende des Dosierrohrs 11 an, wo der Reaktionsgasgemischstrom 9 zum
ersten Mal geteilt wird, und auch im gesamten Dosierrohr 11.
Der Druck in der Katalysatorfüllung 12 hängt ab vom
spezifischen Druckverlust durch die Katalysatorfüllung 12, welcher durch
Berechnung und/oder Experimente bekannt ist.
Die
Sollmenge des Teilstroms V1 wird durch das
Einstellen der restlichen Teilströme eingestellt.
Am
Ende Lz der Katalysatorfüllung 12 ist ein Enddruck
pz erreicht, mit dem das umgesetzte Reaktionsgasgemisch 9a in
die Gasaustrittshaube 8 eintritt und auch aus dieser austritt.
Auf
diese Weise ist sowohl die sichere Zudosierung der jeweiligen gewünschten
Teilstrom-Sollmengen V1, V2,
V3, V4 gewährleistet,
als auch eine optimale Einstellung der Geschwindigkeitsverteilung über die
gesamte Katalysatorfüllung 12,
so daß eine Verbesserung
an einer Stelle nicht mit einer Verschlechterung an einer anderen
Stelle erkauft wird.
In
den 5a bis 5d sind
alternative Anordnungen für
das in 1 dargestellte Dosierrohr 11 in einem
Reaktionsrohr 3 dargestellt.
5a zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem das gaseintrittsseitige Ende des Reaktionsrohrs 3 zwischen
Dosierrohr 11 und Reaktionsrohrinnenwand mit einer kreisringförmigen Drosselscheibe 18 versehen
ist. Die Drosselscheibe 18 ist an ihrem Außenumfang
gasdicht an der Reaktionsrohrinnenwand befestigt. In der Mitte wird
die Drosselscheibe 18 von dem Dosierrohr 11 durchlaufen,
das ebenfalls gasdicht mit der Drosselscheibe 18 verbunden
ist. In der Drosselscheibe 18 sind vier um 90° zueinander
versetzte Drosselbohrungen 19 angeordnet ( 5d), durch
die hindurch Reaktionsgasgemisch 9 in die Anfangsfläche 13 der
Katalysatorfüllung 12 mit
einem gewünschten
Druck eintritt, der sich von dem Anfangs druck p0 in
der Gaseintrittshaube 7 bzw. in dem Dosierrohr 11 unterscheidet.
Solche
Drosseleinrichtungen 18 können in angepaßter Ausbildung
bei jeder Ausführungsform der
Erfindung eingebaut sein. Sie können
auch innerhalb der Katalysatorschüttung 12 vor oder
an einer beliebigen Stelle längs
der Zudosiereinrichtung 11 angeordnet sein.
In
einer weiteren, in 5b dargestellten Ausführungsform
ragt das Dosierrohr 11 zwar aus der Anfangsfläche 13 der
Katalysatorschüttung 12 vor,
endet jedoch noch innerhalb des Reaktionsrohrs 3. Bei dieser
Ausführungsform
bleibt der Rohrboden während
der Montage leicht begehbar.
Wie
in 5c dargestellt, kann das Dosierrohr 11 auch
vollständig
in der Katalysatorfüllung 12 eingebettet
sein, d. h. das gaseintrittsseitige Ende des Dosierrohrs 11 tritt
nicht aus der Katalysatorfüllung 12 heraus.
Die erste Teilung des das Reaktionsrohr 3 durchströmenden Reaktionsgasgemischstroms 9 erfolgt
hierbei erst in der Katalysatorfüllung 12,
d. h. der Druck im Dosierrohr 11 entspricht nicht dem Anfangsdruck
p0 an der Anfangsfläche 13 der Katalysatorschüttung 12 bzw.
in der Gaseintrittshaube 7.
Die
in 6 dargestellte Ausführungsform eines Dosierrohrs 11 enthält neben
den Gasaustrittsöffnungen 17 in
der Dosierrohrwand, die Horizontaldrosseln ausbilden und durch die
die jeweiligen Teilstrom-Sollmengen V2,
V3, V4 austreten,
auch noch Längsdrosseln 20, 21,22 in
Längsrichtung
des Dosierrohrs 11, die den Druck im Dosierrohr 11 um
ein jeweils vorgegebenes Maß reduzieren.
Die
erste Längsdrossel 20 ist
am gaseintrittsseitigen Ende des Dosierrohrs 11 (Stelle
A) angeordnet und reduziert den dort anliegenden Anfangsdruck p0, der auch an der Anfangsfläche 13 der
Katalysatorfüllung 12 (Stelle
B) anliegt, um ein Maß ΔpIA auf einen Druck pIA im
Dosierrohr 11 direkt hinter der Stelle A.
Eine
zweite Längsdrossel 21 an
der Stelle D reduziert den dort anliegenden Druck pIA um
ein Maß ΔpID auf den Druck pID.
Eine dritte Längsdrossel 22 reduziert
an der Stelle F den dort anliegenden Druck pID um
das Maß ΔpIF auf den Druck pIF.
Der
das Reaktionsrohr 3 durchströmende Reaktionsgasgemischstrom 9 wird
wie bei den Ausführungsformen
des Dosierrohrs 11 gemäß den 1, 5a, 5b in
einem ersten Teilstrom V1 in die Anfangsfläche 13 der
Katalysatorfüllung 12 und in
einem zweiten Teilstrom in das Dosierrohr 11 eingeleitet.
An
den Stellen C, E, G sind im Dosierrohr 11 Gasaustrittsöffnungen 17 angeordnet,
die die gewünschten
Teilstrom-Sollmengen V2, V3,
V4 in die Katalysatorfüllung 12 zudosieren.
Dabei liegt die Stelle C zwischen der ersten und der zweiten Längsdrossel 20, 21,
die Stelle E zwischen der zweiten und der dritten Längsdrossel 21,22 und
die Stelle G zwischen der dritten Längsdrossel 22 und
dem geschlossenen Ende 16 des Dosierrohrs 11.
Mit
den Längsdrosseln 20, 21, 22 wird
erreicht, daß der
Anteil des Strömungswiderstandes, der
für die
jeweilige Stelle der Zudosierung für die dort gewünschte Teilstrom-Sollmenge
von den Gasaustrittsöffnungen
bzw. Horizontaldrosseln 17 bereitgestellt werden muß, geringer
wird, da die Längsdrosseln,
die sich stromaufwärts
der Zudosierstelle befinden, bereits einen Anteil des Strömungswiderstandes
aufgebaut haben. Der Strömungswiderstand für die jeweiligen
Zudosierstellen kann also bei dieser Ausführungsform durch eine beliebige
Kombination der Gasaustrittsöffnungen 17 an
der jeweiligen Zudosierstelle und der jeweils stromaufwärts befindlichen Längsdrosseln
eingestellt werden.
In 7 sind
die Druckverläufe
in dem Dosierrohr 11 und in der Katalysatorfüllung 12 als
Kuven pI und pII dargestellt.
Die
in der Druckverlaufskurve pI des Dosierrohrs 11 enthaltenen
Stufen ΔpIA, ΔpID, ΔpIF sind die Druckverluste bzw. die entsprechenden
Strömungswiderstände infolge
der Längsdrosseln 20, 21, 22, wie
oben bereits beschrieben.
Die
Druckverlaufskurve pII der Katalysatorfüllung 12 wird
ermittelt wie weiter oben im Zusammenhang mit 4 beschrieben.
An den Zudosierstellen C, E, G in der Katalysatorfüllung 12 herrschen
die Drücke
PIIC, PIIE, PIIG. Im weiteren Verlauf herrscht in der
Katalysatorfüllung 12 der
Druck pIIH an einer Stelle H. Die Druckabfälle von
Zudosierstelle zu Zudosierstelle sind bezeichnet als ΔpIIBC, ΔpIICE, ΔpIIEG, ΔpIIGH.
Dabei
sind die Druckverläufe
innerhalb des Dosierrohrs 11 und der Katalysatorfüllung 12 in
ihrer Beziehung zueinander zwischen den Zudosierstellen keinen Einschränkungen
unterworfen. So kann es z. B. vorkommen, daß – wie in 7 bei
der Stelle F gezeigt – der
Druck pI im Dosierrohr 11 bereichsweise sogar
noch unter den Druck pII der benachbarten
Katalysatorfüllung 12 fallen
kann. Durch den Druckverlust innerhalb der Katalysatorfüllung 12 ist
der Druck pII in dieser an der Zudosierstelle
G wieder kleiner als der Druck pI im Dosierrohr 11,
so daß es
wie gewünscht
zur Abströmung
der festgelegten Teilstrom-Sollmenge kommt.
Die
Anteile der Strömungswiderstände, die die
Gasaustrittsöffnungen 17 an
jeder Zudosierstelle noch aufweisen müssen, um den Gesamt-Strömungswiderstand
für diese
Zudosierstelle erfindungsgemäß einzustellen,
entsprechen der Differenz zwischen dem Druck, der an der Zudosierstelle
im Dosierrohr 11 herrscht, und dem Druck, der an der Zudosierstelle
in der Katalysatorfüllung 12 vorhanden
ist. Diese Anteile des jeweiligen erforderlichen Strömungswiderstandes
sind in 7 angegeben als Δpc, ΔpE, ΔpG. Der für
jede Zudosierstelle eingestellte (Gesamt)Strömungswiderstand ergibt sich
aus dem Anteil der Gasaustrittsöffnungen
bzw. Horizontaldrosseln 17 an der Zudosierstelle und den
jeweils stromaufwärts
angeordneten Längsdrosseln. So
entspricht z. B. der (gesamte) Strömungswiderstand für die Stelle
G der Summe der Druckdifferenzen ΔpG, ΔpIF, ΔpID, ΔpIA.
Die 8a und 8b zeigen
das in 6 schematisch dargestellte Dosierrohr 11 in
konstruktiv ausgebildeter, detaillierter Darstellung. Die Längsdrosseln 20, 21, 22 sind
jeweils als Längsbohrungen ausgeführt, und
die Gasaustrittsöffnungen
bzw. Horizontaldrosseln 17 – d. h. die Zudosierstellen – als jeweils
vier Horizontalbohrungen, die um 90° zueinander versetzt um den
Umfang herum verteilt sind.
Das
Dosierrohr 11 weist vier Formstücke 23, 24, 25, 26 auf,
zwischen denen jeweils ein Rohrabschnitt 27, 28, 29 gesetzt
ist, der an die benachbarten Formstücke jeweils gasdicht angeschlossen
ist. Die Formstücke
bilden jeweils Bohrungen für
die Längsdrosseln 20, 21, 22 und
die Gasaustrittsöffnungen 17 aus.
Die
Längsdrosseln 20, 21, 22 sind
in den in Strömungsrichtung
ersten drei Formstücken 23, 24 25 jeweils
durch eine Längsbohrung
mit vorgegebenem Durchmesser ausgebildet. Das in Strömungsrichtung
letzte Formstück 26 enthält keine
Längsbohrung,
sondern ist in Längsrichtung
verschlossen. Die Durchmesser der Längsbohrungen nehmen von der ersten
Längsdrossel 20 am
gaseintrittsseitigen Ende des Dosierrohrs 11 über die
zweite Längsdrossel 21 bis
zur dritten Längsdrossel 22 jeweils
um ein vorgegebenes Maß ab.
Auf dem ersten Formstück 23 ist auf
der gaseintrittsseitigen Oberfläche
der Partikelfilter 15 befestigt. Die Ausbildung des Partikelfilters 15 ist
beliebig und den jeweiligen Erfordernissen angepaßt.
Das
zweite, dritte und letzte Formstück 24, 25, 26 enthalten
jeweils vier Gasaustrittsöffnungen 17,
die jeweils als Horizontalbohrung 17 ausgeführt und
zueinander um 90° versetzt
um den Umfang des Formstücks
herum angeordnet sind. Die Horizontalbohrungen weisen jeweils einen
vorgegebenen Durchmesser auf, der im dargestellten Fall für alle Formstücke 24, 25, 26 gleich
ist. Radial außen
enden die Horizontalbohrungen 17 jeweils in einer Umfangsnut 30,
um ihr Verstopfen durch Katalysatorpartikel 12 zu verhindern.
Hierzu kann die Nut auch noch mit einem (nicht dargestellten Gitter)
abgedeckt sein.
Die 9 und 10a zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen
die Zudosiereinrichtung aus mehreren Dosierrohren – in den
gezeigten Beispielen aus jeweils drei Dosierrohren 11a, 11b, 11c bzw. 11d, 11e, 11f – gebildet
ist. Durch jedes Dosierrohr strömt ein
einzelner Teilstrom V2, V3,
V4. Die Dosierrohre sind unterschiedlich
lang und enden jeweils an der vorgesehenen Zudosierstelle, wo der
jeweilige Teilstrom an dem Ende des Dosierrohrs austritt bzw. in die
Katalysatorfüllung 12 eintritt.
Die für
die jeweiligen Zudosierstellen erforderlichen Strömungswiderstände werden
bei diesen Ausführungsbeispielen
im wesentlichen durch die Reibungsverluste im Dosierrohr eingestellt.
Zusätzlich
können
sie aber auch noch durch eine entsprechende Ausbildung des Gasaustrittes
am Dosierrohrende eingestellt werden.
9 zeigt
drei konzentrische ineinandergesteckte Dosierrohre 11a, 11b, 11c,
die aus der Anfangsfläche 13 der
Katalysatorfüllung 12 vorragen. Der
Raum zwischen den Außenwandungen
der Dosierrohre 11a, 11b, 11c und der
Reaktionsrohrinnenwand ist mit Katalysatorpartikeln 12 gefüllt. Die
Innenräume
der Dosierrohre 11a, 11b, 11c sind frei
von Katalysatorpartikeln 12.
Der
Zwischenraum zwischen dem äußeren Dosierrohr 11a und
der Reaktionsrohrinnenwand ist offen, so daß dort Reaktionsgasgemisch 9 in
die Anfangsfläche 13 der
Katalysatorfüllung 12 eintreten kann.
Der
das Reaktionsrohr 3 durchströmende Reaktionsgasgemischstrom 9 tritt
also mit einem Teilstrom V1 in die Anfangsfläche 13 der
Katalysatorfüllung 12 und
mit weiteren drei Teilströmen
V2, V3, V4 in die drei konzentrischen Dosierrohre 11a, 11b, 11c ein.
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 10a weisen die Dosierrohre 11d, 11e, 11f gleiche Durchmesser
auf und verlaufen nebeneinander und parallel zueinander (10b). In ihren Endbereichen weisen die Dosierrohre 11d, 11e, 11f vier
Längsschlitze 31 auf,
die zueinander um 90° versetzt
um den Außenumfang
des Dosierrohrs herum angeordnet sind und in die Endstirnfläche der
Dosierrohre 11d, 11e, 11f münden (10c und 10d).
Die Längsschlitze 31 vergrößern die
Austrittsfläche
der Dosierrohre 11d, 11e, 11f, um dem
Reaktionsgasgemisch 9 ein ungehindertes Ausströmen aus
dem Dosierrohr bzw. ein ungehindertes Einströmen in die Katalysatorfüllung 12 zu
ermöglichen.
Der
Gaseintrittsbereich des Reaktionsrohrs 3 und der Dosierrohre 11d, 11e, 11f kann
z. B. entsprechend den in den 1, 5a, 5b und 5c dargestellten
Ausführungsbeispielen
ausgeführt
sein, also mit oder ohne Partikelfilter auf dem gaseintrittsseitigen
Ende der Dosierrohre, mit oder ohne Drossel außerhalb der Dosierrohre im
Reaktionsrohr, mit oder ohne einem Vorragen der Dosierrohre aus
dem Reaktionsrohr und mit oder ohne einem Vorragen der Dosierrohre
aus der Anfangsfläche
der Katalysatorfüllung 12.
Es
versteht sich, daß die
Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist,
sondern im Rahmen der Erfindung weitere Ausgestaltungen und Modifikationen
möglich
sind, die die erfindungsgemäße technische
Lehre verwirklichen.