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Die
Erfindung betrifft einen vertikal aufgestellten zylindrischen Reaktor,
der eine dünne Schicht eines Katalysatorbetts aufweist,
welches horizontal von Gas durchströmt wird und im Folgenden als
Dünnschichtreaktor bezeichnet wird. Insbesondere zeichnet
sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Reaktors
dadurch aus, dass Gaseintritt und Gasaustritt am gleichen Ende des
zylindrischen Druckmantels liegen.
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Mögliche
Anwendungsgebiete eines solchen Reaktors zur Durchführung
katalytischer Reaktionen in der Gasphase sind beispielsweise die
CO-Konvertierung oder Methanisierung bei der Herstellung von Synthesegas.
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Bei
den Reaktoren üblicher Bauart werden heterogen katalytische
Reaktionen in axialen Katalysatorbetten durchgeführt. Hierbei
befindet sich ein Katalysatorbett mit einem Höhen- zu Durchmesserverhältnis
von typischerweise > 1
in einem zylindrischen Reaktor und wird in der Regel von oben nach unten
in vertikaler Richtung durchströmt. Diese Art der Reaktorausgestaltung
zeichnet sich durch eine einfache Bauweise aus, da die Zahl der
Einbauten auf ein Minimum reduziert werden kann.
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Die
Bauweise führt jedoch beim Durchströmen zu einem
relativ hohen Druckverlust. Eine Verringerung der durchströmten
Schichtdicke bzw. des Höhen- zu Durchmesserverhältnisses
zur Reduzierung des Druckverlustes ist nur durch eine Vergrößerung
des Reaktordurchmessers möglich, welche jedoch die Kosten
für den Reaktor aufgrund der größeren
erforderlichen Wandstärke ansteigen lässt.
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Eine
Optimierung des oben genannten Problems konnte dadurch erzielt werden,
dass die Reaktoren mit Halbkugelböden ausgeführt
werden und auch ein Teil des Volumens der Halbkugelböden
mit Katalysator ausgefüllt wird. Allerdings müssen
Reaktoren dieser Bauart nach wie vor einen großen Durchmesser
aufweisen, um den Druckverlust beim Einsatz in industriellen Großanlagen
möglichst minimal zu halten.
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Die
Schrift
CA 1248327
A1 beschreibt einen horizontal ausgerichteten Reaktor zur
Herstellung von Ammoniak. Nachteil dieser Konstruktion ist aber, dass
sich der Reaktor aufgrund der horizontalen Anordnung und des hohen
Katalysatorgewichtes über die Zeit zum Durchbiegen neigt.
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Den
geringsten Druckverlust erfahren nach dem Stand der Technik Reaktoren,
deren Katalysatorbett in radialer Bauweise ausgeführt ist.
Eine Beschreibung eines solchen Reaktors findet sich beispielsweise
in der
US 4181701 . Ein
großer Nachteil dieser Ausführungsform ist allerdings
der hohe Fertigungs- und Installationsaufwand der notwendigen Einbauten.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
302 61 99 A1 beschreibt einen Reaktor, dessen Katalysatormaterial in übereinanderliegenden
Lagen angeordnet ist und vorwiegend radial durchströmt
wird und damit neben einer besseren Ausnutzung des Katalysatorvolumens
auch eine vereinfachte innere bauliche Gestaltung aufweist.
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Ein
axialer Dünnschichtreaktor zur Durchführung katalytischer
Reaktionen in der Gasphase, der sich insbesondere dadurch auszeichnet,
dass die vertikal angeordnete Vorrichtung zur Aufnahme des Katalysatorbetts
auf einer Seite unten und auf der anderen Seite oben gegenüber
der Reaktorwand abgetrennt ist, so dass sich zwei getrennte Räume
für den gasförmigen Eduktstrom und den gasförmigen
Produktstrom ergeben, die gegeneinander abgedichtet sind, die vertikal
angeordnete Vorrichtung zur Aufnahme des Katalysatorbetts zwei plane
und parallel zueinander angeordnete gasdurchlässige Ebenen aufweist,
und die Vorrichtung zur Aufnahme des Katalysatorbetts ein Höhen-zu-Dicken-Verhältnis
größer 1 aufweist, ermöglicht es eine
Reihe der mit anderen Reaktorausführungen verbundenen Nachteile auszuschalten.
Beispielsweise ermöglicht die dünne und hohe Ausgestaltung
eine kostengünstige Ausführung des Reaktor-Druckmantels
und führt dazu, dass der Reaktor aufgrund seiner geringen
Platzerfordernis in schon bestehende Anlagen integriert werden kann.
Außerdem führt diese Ausführungsform
zu einer Vereinfachung der Vorrichtung zur Aufnahme des Katalysatorbetts.
Zudem führt der geringe Druckverlust über die
dünne Axialschicht zu Einsparungen von Betriebskosten.
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Allerdings
sind zur Vergleichmäßigung des Gasstroms über
die Höhe des Katalysatorbetts auch bei dieser Ausführungsform
spezielle Einbauten, wie Umlenkungen oder Lochbleche erforderlich,
die Kosten verursachen und zudem die Innenraumausnutzung, der für
die Reaktion zur Verfügung steht, einschränken.
Ein weiteres Problem dieser Ausführungsform ist, dass die
Gewichtskraft des Katalysatormaterials alleine von der Vorrichtung
zur Aufnahme des Katalysatormaterials getragen werden muss, was
besondere Anforderungen an die Konstruktion stellt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin einen Reaktor so auszugestalten,
dass die Ausstattung des Innenraums weiter vereinfacht und auf ein
Minimum reduziert wird, wodurch hoher Fertigungsaufwand und Investitionskosten
eingespart werden. Dies soll auf eine Art und Weise geschehen, die
eine einfache Handhabung bei Füllung und Entleerung des
Katalysatorbetts mit sich bringt, aber auch die Vorrichtung zur
Aufnahme des Katalysatormaterials eine Entlastung erfährt,
so dass Überlastungen des Materials ausgeschlossen werden
können. Außerdem soll die Aufgabe der Erfindung
das Verfahren zum Betrieb eines derartigen Reaktors offenbaren.
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Dies
wird erreicht durch den Einsatz eines axialen Dünnschichtreaktors
zur Durchführung katalytischer Reaktionen in der Gasphase,
umfassend einen zylindrischen Druckmantel, eine Vorrichtung zum Einlass
eines gasförmigen Eduktstroms, eine Vorrichtung zum Auslass
eines gasförmigen Produktstroms, und eine im Reaktionsraum
vertikal angeordnete Vorrichtung zur Aufnahme eines Katalysatorbetts.
Dabei ist die vertikal angeordnete Vorrichtung zur Aufnahme des
Katalysatorbetts auf beiden Seiten oben und unten gegenüber
der Reaktorwand abgetrennt, so dass sich zwei getrennte Räume
für den gasförmigen Eduktstrom und den gasförmigen
Produktstrom ergeben, die gegeneinander abgedichtet sind. Außerdem
ist die vertikal angeordnete Vorrichtung zur Aufnahme des Katalysatorbetts
nicht radial ausgestaltet, sondern so dass die vertikal angeordnete
Vorrichtung zur Aufnahme des Katalysatorbetts zwei plane, parallel
zueinander angeordnete gasdurchlässige Ebenen aufweist,
und diese so ausgelegt ist, dass die vertikal angeordnete Vorrichtung
zur Aufnahme des Katalysatorbetts ein Höhen-zu-Dicken-Verhältnis
größer 1 aufweist, wobei der Gaseintritt und Gassaustritt
am gleichen Ende des zylindrischen Druckmantels liegen.
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Der
erfindungsgemäße axiale Dünnschichtreaktor
kann so ausgelegt sein, dass die Vorrichtung zur Aufnahme des Katalysatorbetts
aus mehreren vertikal angeordneten Vorrichtungen zur Aufnahme von
Katalysatorbetten zusammengesetzt ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Reaktors ist die Vorrichtung zur
Aufnahme des Katalysatorbettes mit einem Nachrutschvolumen ausgestattet um
ein Schrumpfen des Katalysators im Betrieb, bei der Reduktion oder
bei der Aktivierung zu kompensieren ohne dass ein Gasbypass am oberen
Ende des Katalysatorbettes entsteht. In einer weiteren Ausgestaltung
des Reaktors ist dieses Nachrutschvolumen nicht gegen den oberen
Gaseintrittsraum abgetrennt so dass das Nachrutschvolumen zum Teil auch
in vertikaler Richtung durchströmt und somit auch zur Durchführung
der Reaktion genutzt werden kann.
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Optional
ist der axiale Dünnschichtreaktor mit einem Mannloch zum
Einfüllen des Katalysatorbetts und/oder einer Vorrichtung
zur Entleerung des Katalysatorbetts ausgestattet.
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Das
Verfahren zur Durchführung katalytischer Reaktionen eines
entsprechenden axialen Dünnschichtreaktors zeichnet sich
dadurch aus, dass das vertikal angeordnete Katalysatorbett vorwiegend
horizontal mit gasförmigem Eduktstrom durchströmt
wird. Dabei kann auch das Nachrutschvolumen im oberen Teil des Katalysatorbetts
durchströmt werden, falls das Katalysatorbett nach oben und
zum Gaseintrittsraum hin offen gehalten wird. Im anderen Fall wird
das Nachrutschvolumen im oberen Teil des Katalysatorbettes nicht
durchströmt, was durch eine Vorrichtung zur Abdichtung
zum Gaseintrittsraum sowie Gasaustrittsraum hin, verhindert wird.
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Die
Erfindung wird nachstehend beispielhaft anhand von 3 Figuren näher
erläutert:
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1:
Einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
axialen Dünnschichtreaktor mit einer vertikal angeordneten
Vorrichtung zur Aufnahme eines Katalysatorbetts, bei dem der Gaseintritt
und der Gasaustritt am oberen Ende des zylindrischen Druckmantels
liegen.
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2:
Einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
axialen Dünnschichtreaktor mit einer vertikal angeordneten
Vorrichtung zur Aufnahme eines Katalysatorbetts, bei dem der Gaseintritt
und der Gasaustritt am oberen Ende des zylindrischen Druckmantels
liegen und der mit einem nicht durchströmten Nachrutschvolumen
ausgestattet ist.
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3:
Einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
axialen Dünnschichtreaktor mit einer vertikal angeordneten
Vorrichtung zur Aufnahme eines Katalysatorbetts, bei dem der Gaseintritt
und der Gasaustritt am oberen Ende des zylindrischen Druckmantels
liegen und der mit einem durchströmten Nachrutschvolumen
ausgestattet ist.
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1 zeigt
einen Reaktor mit einem zylindrischen Druckmantel 1, mit
einer Öffnung 6 am oberen Ende des Druckmantels
zum Einlass des Eduktstroms und einer weiteren Öffnung 3 zum
Auslass des Produktstroms, die sich ebenfalls am oberen Ende des
Druckmantels befindet. Im Innenraum des jeweiligen Reaktors befindet
sich eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Katalysators 5,
die beispielhaft durch ein Lochblech ausgeführt ist und
die Katalysatorschüttung nach außen hin abgrenzt.
Im unteren nicht mehr durchströmten Teil dieser Vorrichtung
zur Aufnahme des Katalysatormaterials kann optional Inertmaterial 9 zur
Einsparung von Katalysator eingefüllt werden. In beiden
Fällen wird die die Gewichtskraft des Katalysatormaterials
direkt in den zylindrischen Druckmantel 1 eingeleitet.
Der jeweilige Reaktor besitzt optional am oberen Ende ein Mannloch 2 zur
Begehung und Errichtung der Einbauten sowie zum Einfüllen
des Katalysatormaterials falls hierfür der Zutritt über
den Gaseintrittsstutzen nicht ausreichend ist. Nach Einfüllen
des Katalysatormaterials bildet sich das Katalysatorbett 7.
Das eingeleitete Eduktgas strömt in den Eduktraum 4 im
Reaktorinnenraum und kann über die Öffnungen im
Lochblech 5 in das Katalysatorbett eintreten und dieses
horizontal durchströmen und auf der gegenüberliegenden Seite
des Katalysatorbetts durch das dort das Katalysatorbett abgrenzende
Lochblech 5 in den Produktraum 8 des Reaktorinnenraums
strömen. Nach Durchlaufen des Katalysatorbetts 7 kann
der Produktstrom über eine Vorrichtung zum Auslass 3 aus dem
Reaktor geführt werden.
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In 2 wird
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.
Diese unterscheidet sich von der in 1 gezeigten
Ausführung dadurch, dass der am oberen Ende des Katalysatorbetts 7 ein
Nachrutschvolumen 10 vorgesehen ist. Dieses Nachrutschvolumen
kann zur Vermeidung eines Gas-Bypasses benötigt werden,
wenn das Katalysatormaterial während des Betriebes oder
der Aktivierung des Katalysators schrumpft. In dieser Ausführungsform
wird das Nachrutschvolumen nicht von Gas durchströmt und
nimmt an der Reaktion von Edukt in Produkt erst dann Teil, wenn
es in den durchströmten Teil des Katalysatorbetts 7 gerutscht ist.
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3 unterscheidet
sich von 2 ausschließlich dadurch,
dass das Nachrutschvolumen 10 von Gas durchströmt
wird und an der Reaktion der Eduktumwandlung in Produkt von vornherein
beteiligt ist.
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In
allen beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen können
zum Einlass des Eduktstroms und zum Auslass des Produktstroms mehrere Öffnungen
vorgesehen werden, wenn z. B. verschiedene Gase in getrennten Zuleitungen
dem Reaktor zugeführt werden.
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Vorteile,
die sich aus der Erfindung ergeben:
- • Die
dünne und hohe Ausgestaltung ermöglicht eine kostengünstige
Ausführung des Reaktor-Druckmantels
- • Durch den geringen Druckverlust der dünnen Axialschicht
können Betriebskosten gespart werden.
- • Die Konstruktion der Vorrichtung zur Aufnahme des
Katalysators ist kostengünstiger als ein Radialbett
- • Die dünne und hohe Ausgestaltung erfordert
wenig Platz und kann damit auch in schon bestehende Anlagen integriert
und nachgerüstet werden.
- • Umlenkung oder verschiedene Lochbleche zum Vergleichmäßigen
der statischen Druckdifferenz über die Höhe sind
nicht mehr erforderlich, was mit einer wesentlich vereinfachten
baulichen Anforderung einhergeht.
- • Eine gute Raumausnutzung im zylindrischen Teil bei
Wegfall der Umlenkung wird gewährleistet, was eine höhere
Produktausbeute verspricht.
- • Die Vorrichtung zur Aufnahme des Katalysators muss
nicht mehr das gesamte Katalysatorgewicht aufnehmen und wird somit
entlastet da die Gewichtskraft des Katalysators direkt oder über
Inertmaterial in den Druckmantel eingeleitet wird.
- • Die Befüllung und Entleerung mit Katalysator
ist bei Anordnung des Mannloches in der Reaktorachse sehr einfach.
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- 1
- zylindrischer
Druckmantel des Reaktors
- 2
- Mannlochj
- 3
- obere Öffnung
zum Auslass des Produktstroms
- 4
- Eduktraum
- 5
- Vorrichtung
zur Aufnahme eines Katalysators
- 6
- obere Öffnung
zum Einlass des Eduktstroms
- 7
- Katalysatorbett
- 8
- Produktraum
- 9
- Inertmaterial
- 10
- Nachrutschvolumen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - CA 1248327
A1 [0006]
- - US 4181701 [0007]
- - DE 3026199 A1 [0008]