DE1542494C3

DE1542494C3 - Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Reaktionen

Info

Publication number: DE1542494C3
Application number: DE1542494A
Authority: DE
Inventors: Josef Boemelburg; Guenther Dr. 4390 Gladbeck Ibing; Hermann Dr. Schirrmacher; Fritz 4300 Essen Schwall; Herbert Vollmer
Original assignee: Veba Oel AG
Current assignee: Veba Oel AG
Priority date: 1966-07-21
Filing date: 1966-07-21
Publication date: 1975-06-05
Also published as: ES343322A1; SE319459B; CH490118A; NL153781B; US3434807A; NL6710093A; GB1149436A; BE701486A; DE1542494A1; DE1542494B2; AT271388B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Reaktionen, die sowohl exotherm als auch endotherm verlaufen können. Als Beispiel exothermer Reaktionen seien hier erwähnt die Fischer-Tropsch-Synthese, die Verbrennung von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid, die Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch katalytische Oxidation von o-Xylol oder Naphthalin oder von Maleinsäureanhydrid durch katalytische Oxidation von Benzol und Buten. Bei solchen öfen ist der Katalysator üblicherweise in einer Vielzahl von Rohren untergebracht. Diese Rohre werden von einem Wärmeaustauschmittel umspült, um Wärme ab- oder zuzuführen, d. h. um die optimale Reaktionstemperatur einzuhalten. Dabei muß dafür Sorge getragen werden, daß die Intensität des Wärmeaustausches über den ganzen Querschnitt des Ofens, also an allen Rohren, die gleiche ist.

Das verwendete Wärmeaustauschmittel hängt weitgehend von der jeweiligen Reaktionstemperatur ab. Arbeitet man nicht mit einem Mittel, das bei der Reaktionstemperatur siedet, sondern mit einem solchen, das in flüssigem Zustand bleibt, so verwendet man Stoffe, die einen möglichst niedrigen Dampfdruck besitzen. Anorganische Salzschmelzen, beispielsweise eine Mischung von Kaliumnitrat und Natriumnitrit, haben sich für diesen Zweck sehr gut bewährt.

Es ist bereits eine Vorrichtung bzw. ein Ofen zur Durchführung exothermer Reaktionen bekannt, der mit einem Kühlaggregat durch Zu- und Ablaufleitungen für die Kühlflüssigkeit verbunden ist. Die durch Wärmeaufnahme von den Reaktionsrohren erwärmte Flüssigkeit gelangt hier durch eine im oberen Bereich des Ofens gelegene und an dessen Wandung angesetzte Leitung in den Kühler, während die im erforderlichen Maß abgekühlte Flüssigkeit durch mehrere Leitungen wieder in den unteren Teil des Ofens eintritt. Die letztgenannten Leitungen münden in vorzugsweise gleichmäßiger Aufteilung an verschiedenen Stellen des Ofenumfangs und werden als mit gezahntem unteren Rand versehene Leitbleche tunnelartiger Form bis zum Zentrum des Ofens geführt. Für diese Leitbleche, die der gleichmäßigen Verteilung der Kühlflüssigkeit dienen sollen, sind in dem sonst völlig mit Rohren versehenen Ofen entsprechend bemessene rohrfreie radiale Gassen angeordnet. Obwohl der vorbeschriebene Ofen an sich recht befriedigend arbeitet, liegt doch ein gewisser Nachteil darin, daß mehrere getrennte Zuführungsleitungen sehr unterschiedlicher Länge erforderlich sind, deren Anzahl mit wachsendem Ofendurchmesser zwecks erzielung einer guten Verteilung der Kühlflüssigkeit noch ansteigt. Abgesehen von dem dadurch bedingten höheren Materialaufwand, sind so viele Rohre auch häufig platzmäßig schwierig unterzubringen. Darüber hinaus müssen alle diese Rohre gut isoliert werden, um zu verhindern, daß während kürzerer Stillstände die Salzschmelze erstarrt

Es ist weiterhin schon ein Ofen vorgeschlagen worden, in dessen Zentrum das Kühlaggregat angeordnet ist. Diese wird von einem Leitrohr umgeben, durch das die erwärmte Kühlflüssigkeit unter dem Einfluß einer oberhalb des Kühlaggregates vorgesehenen Umwälzeinrichtung, beispielsweise eines Propellers, von oben nach unten strömt Die abgekühlte Flüssigkeit tritt unten durch einen zwischen Leitrohr und Ofenboden verbleibenden Ringspalt aus und fließt an den Reaktionsrohren, die zu einem geschlossenen ringförmigen Bündel angeordnet sind, vorbei aufwärts, um dann erneut oben in das Leitrohr einzutreten. Bei dieser Ofenkonstruktion bilden also Reaktionsofen und Kühlaggregat eine bauliche Einheit.

Die Kühlerkonstruktion und -ausführung bereiten hierbei, bedingt durch die bauliche Einheit, erhebliche Schwierigkeiten. Bei stark exothermen oder endothermen Reaktionen wird der Wärmeaustauscher sehr groß und ein erheblicher Teil des Ofenraumes ist damit für den Einbau von Reaktionsrohren verloren. Da aus Transportgründen der Durchmesser des Ofens begrenzt ist, hat der Ofen eine entsprechend geringere maximal mögliche Kapazität als ein Ofen mit außerhalb angeordnetem Wärmeaustauscher. Darüber hinaus ergibt sich dadurch, daß zur Montage und Demontage des Kühlers auch das Umwälzaggregat ausgebaut werden muß, ein erhöhter Montage- bzw. Demontageaufwand.

Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt eine Vorrichtung bzw. Ofen für die Durchführung katalytischer Reaktionen zu schaffen, der die vorstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Ofentypen nicht aufweist

Ausgehend von dem zuerst erläuterten Ofen schlägt sie vor, daß in einer der rohrfreien Gassen, die entsprechend verbreitert ist, der Zu- und Ablauf für eine Teilmenge des Wärmeaustauschmittels zu bzw. von dem Wärmeaustauscher und einem in dem Ofen in bekannter Weise zentral angeordneten und mit einer Umwälzeinrichtung versehenen Leitrohr vorgesehen ist Die Hauptmenge des Wärmeaustauschmittels wird hierbei in an sich bekannter Weise im Ofen umgewälzt

Gegenstand der Erfindung ist daher eine Vorrichtung zur Durchführung katalytischer, exothermer oder endothermer Reaktionen in der Gasphase an in Rohren untergebrachten Festbettkatalysatoren, wobei die Rohre von einem flüssigen bzw. geschmolzenen Wärmeaustauschmittel umspült werden, das über einen außerhalb der Reaktionszone angeordneten Wärmeaustauscher und einem zentralen Leitrohr in der Reaktionszone mit Hilfe eines Propellers im Kreis geführt wird, und wobei.

die den Katalysator enthaltenden Rohre so angeordnet sind, daß mehrere rohrfreie Gassen ausgebildet werden, gekennzeichnet durch einen außerhalb der Reaktionszone angeordneten Wärmeaustauscher (17) der über angeschweißte Umwälzleitungen (16, 18) für das Wärmeaustauschmittel direkt mit dem zentralen Leitrohr (19) verbunden ist, wobei die Leitungen (16, 18) durch entsprechend erweiterte Rohrgassen (15) geführt sind, und eine durch die Temperatur des Wärmeaustauschmittels oder die Reaktionstemperatur gesteuerte Drosselklappe (25) in der Zu- und Rücklaufleitung (18,16).

Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform wird erreicht, daß der Wärmeaustauscher bezüglich Bauart und Abmessungen völlig unabhängig von dem eigentlichen Reaktionsofen gewählt werden kann. Dabei sind Ofen und Wärmeaustauscher lediglich durch zwei extrem kurze Leitungen miteinander verbunden, so daß sie gegebenenfalls gemeinsam isoliert werden können und somit auf eine andere Weise praktisch eine bauliche Einheit bilden. Die Verbindungen der beiden Aggregate durch Verschweißen der Leitungen kann dabei ohne Bedenken auf der Baustelle vorgenommen werden.

Die Regelung der abzuführenden bzw. zuzuführenden Wärmemenge erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren entweder dadurch, daß mittels geeigneter Maßnahmen die wirksame Wärmeaustauschfläche stufenlos verändert wird oder daß die Menge des zum Wärmeaustauscher strömenden oder diesen verlassenden Wärmeaustauschmittels geregelt wird.

Im Fall einer exothermen Reaktion, bei der aus der Reaktionswärme Dampf erzeugt werden soll, erfolgt bei Einbau des Kühlers in den Ofen die Regelung der abzuführenden Wärmemenge durch Regelung der Speisewassermenge, wobei das gesamte Speisewasser verdampft wird. Demgegenüber kann bei der erfindungsgemäßen Konstruktion infolge der vorbeschriebenen Regelmöglichkeiten mit Teilverdampfung gearbeitet werden. Es kann daher Speisewasser wesentlich geringerer Reinheit als bei der Totalverdampfung verwendet werden.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel in vereinfachter Form darstellt, näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen senkrechten Schnitt und
F i g. 2 einen waagerechten Schnitt durch Ofen und Wärmeaustauscher.

In dem Reaktionsofen 10 sind eine Vielzahl von katalysatorgefüllten Rohren 11 untergebracht, die das durch Leitung 12 eintretende Reaktionsgemisch von oben nach unten durchströmt. Das Reaktionsprodukt verläßt den Ofen durch Leitung 13.

Die Rohre 11 sind so angeordnet, daß mehrere rohrfreie Gassen 14 entstehen, wodurch das Rohrsystem in praktisch gleich große Sektoren aufgeteilt wird.

Die Gasse 15 ist gegenüber den anderen etwas breiter ausgebildet und dient zusätzlich zur Aufnahme der Zulaufleitung 16 zum Wärmeaustauscher 17 und der Ablaufleitung 18 vom Wärmeaustauscher zum Reaktionsofen.

Zentral im Ofen 11 ist ein Leitrohr 19 mit eingebautem Propeller 21 angeordnet, der vom Elektromotor 20 angetrieben wird. Von dem durch diesen Propeller abwärts geförderten Wärmeaustauschmittel gelangt der größte Teil, beispielsweise 90%, in den Raum zwischen Rohrboden 22 und unterer Drosselscheibe 23 und wird mit Hilfe der Gassen 14 und 15 und der Drosselscheibe gleichmäßig über den gesamten Ofenquerschnitt verteilt. Diese Teilmenge strömt dann die Rohre 11 umspülend aufwärts und fließt nach Durchtritt durch die obere Drosselscheibe 24 wieder oben in das Leitrohr 19 ein.

Die Restmenge des Wärmeaustauschmittels, also beispielsweise 10%, gelangt durch die Leitung 16 in den Wärmeaustauscher 17, von wo sie nach dem erforderlichen Wärmeaustausch durch Leitung 18 wieder in das zentrale Leitrohr 19 zurückgeführt wird. Dort wird sie mittels des Propellers 21 mit der im Ofen umgewälzten Hauptmenge des Wärmeaustauschmittels gemischt und abwärts gefördert, worauf am unteren Ende des Leitrohres, wie vorstehend beschrieben, die Aufteilung in zwei Teilströme erfolgt.

In der Leitung 16 ist eine von der Temperatur des Wärmeaustauschmittels gesteuerte Drosselklappe 25 angeordnet. Dadurch gelangt die jeweils erforderliche Menge des Wärmeaustauschmittels in den Wärmeaustauscher 17.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Durchführung katalytischer, exothermer oder endothermer Reaktionen in der Gasphase an in Rohren untergebrachten Festbettkatalysatoren, wobei die Rohre von einem flüssigen bzw. geschmolzenen Wärmeaustauschmittel umspült werden, das über einen außerhalb der Reaktionszone angeordneten Wärmeaustauscher und einem zentralen Leitrohr in der Reaktionszone mit Hilfe eines Propellers im Kreis geführt wird, und wobei die den Katalysator enthaltenden Rohre so angeordnet sind, daß mehrere rohrfreie Gassen ausgebildet werden, gekennzeichnet durch einen außerhalb der Reaktionszone angeordneten Wärmeaustauscher (17), der über angeschweißte Umwälzleitungen (16, 18) für das Wärmeaustauschmittel direkt mit dem zentralen Leitrohr (19) verbunden ist, wobei die Leitungen (16, 18) durch entsprechend erweiterte Rohrgassen (15) geführt sind, und eine durch die Temperatur des Wärmeaustauschmittels oder die Reaktionstemperatur gesteuerte Drosselklappe (25) in der Zu- oder Rücklaufleitung (18,16).