DE10238489A1 - Chemical reactor has layer of bulk grain catalyst under twin layer of profiled metal panels forming emergency escape channels for gas - Google Patents

Chemical reactor has layer of bulk grain catalyst under twin layer of profiled metal panels forming emergency escape channels for gas Download PDF

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Abstract

A chemical reactor (1) has an outer case and a charge of bulk solid catalytic grains under a layer of packing material (4). The layer of packing material is assembled from two or more layers of flat material with a zigzag cross-sectional profile, placed back to back and together forming a series of straight or curved channels. The packing layer occupies the entire cross sectional area above the catalytic material. The panels (4) are sheets of pressed sheet metal of thickness 0.1-10 mm. The channels created by the juxtaposition of two adjacent layers of sheet metal have sidewalls at 30 to 45 to the vertical. Adjacent panels are joined to each other. The specific surface area of the profiled sheet metal is in the range 20-500 m/m.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Packung aus geordneten Trennelementen in Apparaten mit einer Sicherheitseinrichtung zum Verhindern von Überlastungen durch Überdrücke, insbesondere Festbettreaktoren, Rührbehältern oder Destillationskolonnen.The invention relates to the use a pack of ordered separating elements in apparatus with a Safety device for preventing overloads caused by overpressures, in particular fixed bed reactors, Stirred tanks or Distillation columns.

Packungen aus geordneten Trennelementen finden in der destillativen Trenntechnik vielfältige Anwendungen. Die Trennelemente werden dabei häufig aus perforierten Metallblechen oder aus Metallgeweben gebildet ( DE-A-44 18 488 ). Zur Erhöhung der Trennleistung in Stoffaustauschkolonnen sind mehrschichtige Packungen bekannt, bei denen abwechselnd eine gewellte und/oder geknickte und/oder ebene Lage aus Metallblech senkrecht und parallel aneinander angeordnet sind ( DE-A-30 02 385 und EP-B-0 785 019 ).Packs of orderly separating elements find a wide variety of uses in distillation separation technology. The separating elements are often formed from perforated metal sheets or from metal mesh ( DE-A-44 18 488 ). To increase the separation efficiency in mass transfer columns, multi-layer packs are known in which a corrugated and / or kinked and / or flat layer of sheet metal is alternately arranged vertically and parallel to one another ( DE-A-30 02 385 and EP-B-0 785 019 ).

Weiterhin sind Apparate, wie beispielsweise Festbettreaktoren, Rührbehälter oder Destillationskolonnen, bekannt, die zur Vermeidung von festigkeitsmäßig nicht beherrschbaren Drücken Sicherheitseinrichtungen, sog. Notenspannungen aufweisen. Als Notenspannungen werden entweder Berstscheiben oder Sicherheitsventile eingesetzt. In machen Anwendungsfällen wird auch eine Kombination beider Entspannungsarmaturen verwendet. Druckanstiege, die die mechanische Festigkeit des abzusichernden Apparates überbeanspruchen, können beispielsweise von exothermen Reaktionen, wie Polymerisationen, von autokatalytisch ablaufenden Reaktionen, Reaktionen mit Induktionszeiten oder auch von Siedeverzügen herrühren. Die Entspannungsvorrichtungen müssen so ausgelegt sein, daß sie die auftretenden Mengenströme sicher abführen können, ohne die Festigkeit des abzusichernden Apparates zu überschreiten. In der Praxis erweist sich diese Erfordernis oft als problematisch, da beispielsweise durch das Aufwallen eines flüssigen Behälterinhalts die Zusammensetzung der Zweiphasenströmung kaum vorausbestimmt werden kann, da sie von einer Vielzahl von Parametern wie Füllstand, Viskosität, Anfangsbegasung und Geschwindigkeit der Gasentwicklung abhängt. Wichtige Größen, wie die Öffnungsquerschnitte der Druckentlastungsarmaturen und die mechanische Festigkeit der Abführrohre und deren Verankerung sind daher nur mit großen Unsicherheiten dimensionierbar. Bei der Notentspannung von Festbettreaktoren oder von Rührbehältern mit suspendierten Feststoffen ist zudem eine mögliche mechanische Verblockung der Absperrarmaturen bei der Auslegung der Notenspannung zu berücksichtigen.Furthermore, apparatus, such as fixed bed reactors, Stirred tank or Distillation columns, known to avoid strength, not manageable pressures Have safety devices, so-called emergency voltages. As note tensions either bursting discs or safety valves are used. In some use cases a combination of both expansion valves is also used. Pressure increases that overstress the mechanical strength of the apparatus to be protected, can for example of exothermic reactions, such as polymerizations, of autocatalytic reactions, reactions with induction times or delayed boiling originate. The relaxation devices must be designed so that they the volume flows that occur can safely discharge without to exceed the strength of the apparatus to be protected. In practice this requirement often proves problematic, for example by bulging a liquid container contents the composition of the two-phase flow can hardly be predetermined because of a variety of parameters such as level, Viscosity, Initial gassing and rate of gas evolution depends. Important Sizes like the opening cross-sections of the pressure relief fittings and the mechanical strength of the discharge pipes and their anchoring can therefore only be dimensioned with great uncertainties. For the emergency relaxation of fixed bed reactors or stirred tanks with suspended Solids is also a possible mechanical blocking of the shut-off valves must be taken into account when designing the note voltage.

Diese Probleme ließen sich entscheidend vereinfachen, wenn es gelänge, eine Zweiphasenströmung zu vermeiden oder zumindest einzugrenzen und die Entspannunsvorrichtungen für eine Einphasenströmung des Gases auszulegen. Ansatzweise wird dies versucht, indem man Drallabscheider in den Rohrleitungen, die zu den Absperrarmaturen führen, anbringt. Das Problem der Zweiphasenströmung ist auf diese Weise jedoch nicht völlig lösbar, da in dem engen Rohrleitungsquerschnitt zwar die Phasen teilweise entmischt werden können, aber doch beide durch die Entspannungsarmaturen abgeführt werden.These problems could be solved significantly simplify if a two-phase flow were successful avoid or at least narrow down the relaxation devices for one single-phase of the gas. Initially this is attempted by Install a swirl separator in the pipes leading to the shut-off valves. The problem of two-phase flow is not completely solvable in this way, however, because of the narrow pipe cross-section the phases can be partially separated, but still both the expansion fittings removed become.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, anzugeben, wie in Apparaten mit einer Sicherheitseinrichtung im Falle einer Notentspannung die dabei auftretenden Nachteile eines behinderten Gasabflusses vermieden und gleichzeitig kurze Entspannungszeiten sichergestellt werden können.It was therefore an object of the invention specify how in apparatus with a safety device in the In the event of an emergency relaxation, the disadvantages of a impeded gas flow avoided and at the same time short relaxation times can be ensured.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß man in Apparaten der eingangs geschilderten Art eine Packung aus geordneten Trennelementen verwendet, wobei die Packung aus wenigstens zwei form- und/ oder kraftschlüssig miteinander verbundenen und eine gerade oder gebogene Kreuzkanalstruktur aufweisenden Schichten besteht und derart vor der Sicherheitseinrichtung angeordnet ist, daß sie den gesamten Querschnitt des Apparates zumindest annähernd ausfüllt.This task is solved by that one in Apparatuses of the type described at the beginning of a pack of ordered Separating elements used, the package consisting of at least two positive and / or non-positive interconnected and a straight or curved cross-channel structure having layers and so in front of the security device is arranged that they fills the entire cross section of the apparatus at least approximately.

Erfindungsgemäß wird also im Falle einer Notentspannung der Apparateinhalt, in der Regel ein Mehrphasengemisch, noch im abzusichernden Apparat mit einem im Vergleich zur Entspannungsrohrleitung großen Querschnitt und demzufolge noch niedrigen Strömungsgeschwinigkeiten ganz oder überwiegend getrennt in die Gasphase, die zur Druckentlastungsarmatur geleitet wird, und in eine Flüssigkeits- und/oder Feststoffphase, die in den Apparat zurückgeführt wird. Diese Trennung erfolgt in der aus wenigstens zwei Schichten bestehenden Packung aus geordneten Trennelementen.According to the invention, in the event of an emergency relaxation the content of the apparatus, usually a multi-phase mixture, still in apparatus to be secured with one compared to the expansion pipeline huge Cross section and consequently still low flow velocities or predominantly separated into the gas phase, which leads to the pressure relief valve and into a liquid and / or solid phase which is returned to the apparatus. This separation takes place in the package consisting of at least two layers of ordered Separators.

Bei solchen Packungen haben sich Bauformen in gerader oder gebogener Kreuzkanalstruktur, die aus Blechen, Streckmetall oder Drahtgeweben bestehen, besonders bewährt. Geeignet sind beispielsweise auch die handelsüblichen Packungen der Typen Mellapak®, CY, BX und MellapakPlus der Fa. Sulzer AG, CH-8404 Winterthur, oder die Typen A3, BSH, B1 oder M der Fa. Montz GmbH, D-40723 Hilden. Bei diesen Packungen wird das Ausgangsmaterial meist zusätzlich mit Öffnungen versehen, beispielsweise mit kreisförmigen Löschern mit etwa 4 bis 6 mm Durchmesser, um die Flutgrenze der Packung anzuheben und eine höhere Kolonnenbelastung zu ermöglichen. In der Funktion als Rückhalteelemente für Flüssigkeiten und/oder Feststoffe bei Notentspannungen werden diese Perforationen nicht benötigt.In such packs, designs in a straight or curved cross-channel structure, which consist of sheet metal, expanded metal or wire mesh, have proven particularly useful. Also suitable are the commercially available packings of the types Mellapak ®, CY, BX and MellapakPlus are for example the company. Sulzer AG, CH-8404 Winterthur, or types A3, BSH, B1 or M of Messrs. Montz GmbH, D-40723 Hilden. In these packs, the starting material is usually additionally provided with openings, for example with circular extinguishers with a diameter of approximately 4 to 6 mm, in order to raise the flood limit of the pack and to enable a higher column load. In the function of retaining elements for liquids and / or solids in the case of emergency relaxation, these perforations are not required.

Die Packung ist in dem Apparat vor der Sicherheitseinrichtung derart angeordnet, daß sie den gesamten Querschnitt des Apparates zumindest annähernd ausfüllt. Dabei ist es erforderlich, die Packung sowohl an ihrem unteren Ende als auch an ihrem oberen Ende zu befestigen, vorzugsweise an der Apparatemantelfläche. Dies kann konstruktiv nach Art von üblichen Auflagerosten, wie sie in der Destillations- und Reaktortechnik eingesetzt werden, erfolgen. Die nach oben wirksamen Befestigungen bzw. Halterungen müssen so ausgeführt sein, daß sie kurzzeitig eine Belastung von mindestens 10 000 kg/m2 Anströmfläche aufnehmen können.The package is arranged in the apparatus in front of the safety device in such a way that it covers the full cross section of the apparatus at least approximately. It is necessary to fasten the pack both at its lower end and at its upper end, preferably on the surface of the apparatus. This can be done constructively in the manner of the usual support grids, such as those used in distillation and reactor technology. The upward effective fastenings or brackets must be designed so that they can temporarily withstand a load of at least 10,000 kg / m 2 of the inflow surface.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.Appropriate developments of the invention are the subject of the claims 2 to 5.

Insbesondere wenn die Packung so ausgebildet ist wie im Anspruch 2 angegeben, läßt sich eine Beeinträchtigung der Ableitung der Entspannungsgase weitgehend vermeiden. Die aus geknickten Blechen einer Wanddicke von 0,1 bis 10 mm, zweckmäßig 0,15 bis 2 mm, bestehenden Schichten genügen den Festigkeitsanforderungen in jeder Hinsicht. Durch die beabstandeten Blechen sowie zwischen den Schichten der Packung sind Kanäle ausgebildet, wobei die Kanäle einer ersten Schicht gegenüber den einer zweiten Schicht um den gleichen Winkelbetrag zur Vertikalen des Apparates, jedoch in entgegengesetzter Richtung geneigt sind. Insgesamt haben sich Neigungswinkel von etwa 30 bis 45° als besonders vorteilhaft erwiesen. Für den Erfolg der Phasentrennung ist es weiterhin von Vorteil, die Dicke der Packung aus geknickten Blechen so zu bemessen, daß in jeder Schicht mindestens 2, bevorzugt 2,5 bis 4 Kreuzungspunkte der Knickverläufe auftreten. Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Packung sind die Bleche so dimensioniert und zueinander angeordnet, daß die spezifische Oberfläche der Packungsschichten 20 bis 500 m2/m3, zweckmäßig 50 bis 200 m2/m3 betragen.In particular, if the pack is designed as specified in claim 2, impairment of the discharge of the expansion gases can be largely avoided. The layers consisting of kinked metal sheets with a wall thickness of 0.1 to 10 mm, expediently 0.15 to 2 mm, meet the strength requirements in every respect. Channels are formed through the spaced sheets and between the layers of the packing, the channels of a first layer being inclined relative to that of a second layer by the same angle to the vertical of the apparatus, but in the opposite direction. Overall, angles of inclination of approximately 30 to 45 ° have proven to be particularly advantageous. For the success of the phase separation, it is also advantageous to measure the thickness of the pack of kinked sheets so that at least 2, preferably 2.5 to 4, intersections of the kink curves occur in each layer. According to a particularly advantageous embodiment of the packing, the sheets are dimensioned and arranged relative to one another in such a way that the specific surface area of the packing layers is 20 to 500 m 2 / m 3 , expediently 50 to 200 m 2 / m 3 .

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.The invention is described below Reference to the drawings explained using an exemplary embodiment.

1 zeigt in schematischer Darstellung einen Vertikalschnitt durch einen Festbettreaktor (1) mit einer Katalysatorschüttung (2). Der Reaktor weist zwei Zuführungen (5) an seinem oberen Ende und einen Auslauf (7) für die Produktentnahme am unteren Ende auf. Mit (6) ist eine Notentspannungsleitung mit einer Sicher heitseinrichtung zum Verhindern von Überlastungen des Reaktors durch Überdrücke bezeichnet. Vor der Notentspannungsleitung bzw. Sicherheitseinrichtung ist eine Packung (4) aus zwei Schichten (4a) und (4b) vorgesehen, welche aus parallel angeordneten, geknickten und zwischen sich Teilstromkanäle (8) ausbildenten Blechen (9) bestehen. Die räumliche Anordnung der Bleche verdeutlicht 2, aus der ersichtlich ist, daß die durch die Bleche gebildeten Teilstromkanäle in einem Neigungswinkel von etwa 40° zur Längsachse des Reaktors (1) verlaufen, wobei die Teilstromkanäle der Schicht (4a) gegenüber den Teilstromkanälen der Schicht (4b) in entgegengesetzter Richtung geneigt sind. Die aus den form- und kraftschlüssig miteinander verbundenen Schichten gebildete Packung ist mit Hilfe eines Niederhalterostes (3) an der inneren Mantelfläche des Reaktors befestigt. 1 shows a schematic representation of a vertical section through a fixed bed reactor ( 1 ) with a catalyst bed ( 2 ). The reactor has two feeds ( 5 ) at its top and a spout ( 7 ) for product removal at the lower end. With ( 6 ) is an emergency relief line with a safety device to prevent overloading of the reactor by overpressures. In front of the emergency relief line or safety device, a package ( 4 ) from two layers ( 4a ) and ( 4b ) is provided, which consists of parallel, bent and between them partial flow channels ( 8th ) forming sheets ( 9 ) consist. The spatial arrangement of the sheets makes clear 2 , from which it can be seen that the partial flow channels formed by the sheets at an angle of inclination of approximately 40 ° to the longitudinal axis of the reactor ( 1 ) run, the partial flow channels of the layer ( 4a ) compared to the partial flow channels of the layer ( 4b ) are inclined in the opposite direction. The packing, which is formed from the layers that are positively and non-positively connected to one another, is secured with the aid of a hold-down grate ( 3 ) attached to the inner surface of the reactor.

Claims (5)

Verwendung einer Packung aus geordneten Trennelementen in Apparaten mit einer Sicherheitseinrichtung zum Verhindern von Überlastungen durch Überdrücke, insbesondere Festbettreaktoren, Rührbehältern oder Destillationskolonnen, wobei die Packung (4) aus wenigstens zwei form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbundenen und eine gerade oder gebogene Kreuzkanalstruktur aufweisende Schichten (4a, 4b) besteht und derart vor der Sicherheitseinrichtung angeordnet ist, daß sie den gesamten Querschnitt des Apparates (1) zumindest annähernd ausfüllt.Use of a pack of orderly separating elements in apparatus with a safety device for preventing overloads from excess pressures, in particular fixed bed reactors, stirred tanks or distillation columns, the pack ( 4 ) from at least two layers that are positively and / or non-positively connected to one another and have a straight or curved cross-channel structure ( 4a . 4b ) exists and is arranged in front of the safety device in such a way that it covers the entire cross-section of the apparatus ( 1 ) at least approximately. Packung für die Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (4a, 4b) aus geknickten Blechen (9) einer Wanddicke von 0,1 bis 10 mm bestehen und zwischen sich Kanäle einschließen, wobei die Kanäle (8) einer ersten Schicht gegenüber den einer zweiten Schicht um den gleichen Winkelbetrag zur Vertikalen des Apparates (1), jedoch in entgegengesetzter Richtung geneigt sind.Pack for use according to claim 1, characterized in that the layers ( 4a . 4b ) from kinked sheets ( 9 ) with a wall thickness of 0.1 to 10 mm and enclosing channels between them, the channels ( 8th ) a first layer compared to a second layer by the same angular amount to the vertical of the apparatus ( 1 ), but are inclined in the opposite direction. Packung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Schichten (4a, 4b) ausgebildeten Kanäle (8) unter einem Winkel von etwa 30 bis 45° zur Vertikalen geneigt sind.Pack according to claim 2, characterized in that the layers ( 4a . 4b ) trained channels ( 8th ) are inclined at an angle of about 30 to 45 ° to the vertical. Packung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Dicke so bemessen ist, daß in jeder Schicht (4a, 4b) mindestens zwei Kreuzungspunkte der Knickverläufe auftreten.Pack according to claim 2, characterized in that its thickness is such that in each layer ( 4a . 4b ) at least two crossing points of the kink curves occur. Packung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Oberfläche der Schichten (4a) und (4b) 20 bis 500 m2/m3 beträgt.Pack according to claim 2, characterized in that the specific surface of the layers ( 4a ) and ( 4b ) Is 20 to 500 m 2 / m 3 .
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