DE1542531B - Synthesereaktor mit Temperaturrege lungseinnchtung fur die Katalysatorschicht - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf die Regelung der tionsraum vertikal unterteilt ist in konzentrische, Temperatur der Katalysatorschicht bzw. des Kata- zylindrische Katalysatorräume, zwischen denen Ringlyseraums in Anlagen zur Durchführung exothermer räume für aufsteigendes Frischgas verlaufen, und daß

Synthesereaktionen, bei denen, z. B. bei der Ammo- in diesen Ringräumen in verschiedener Höhe Kühlniak- oder Methanolsynthese, ein Katalysator bei 5 gasrohre münden, die an eine Kühlgaszufuhrleitung

hoher Temperatur und hohem Druck angewendet angeschlossen sind,

wird. Es sind Reaktionen zur stufenweisen Temperatur-

Bei Synthesereaktoren für diese Zwecke werden regulierung mittels Kühlgas bekannt, bei denen die

zur Abführung der bei der Reaktion entstehenden Katalysatorschichten in Stufen unterteilt sind und am

Wärme zwei Verfahren angewendet, nämlich der io Eingang jeder Stufe die Reaktionsgase mit Kühlgas

äußere Wärmeaustausch oder der innere Wärme- gemischt werden. Anmeldungsgemäß hingegen wird

austausch. das Kühlgas mit dem Frischgas außerhalb der

Reaktoren mit äußerem Wärmeaustausch haben Katalysatorschichten und bevor die Reaktion statteinen komplizierten Aufbau, da ein selbständiges, an findet mit dem Frischgas gemischt und hierbei wird der Umsetzung nicht teilnehmendes Wärmeüber- 15 die Temperatur des Gases und damit der Katalysatortragungsmittel durch den Reaktor geführt werden schichten eingestellt, bevor die Reaktion stattfindet, muß. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Im Gegensatz zu den bekannten Reaktoren kann Temperatur der Katalysatorschicht vor Einwirken des erfindungsgemäß durch eine sukzessive Regulierung Kühlmittels übermäßig ansteigt und nach Einwirken die Temperatur der Katalysatorschicht so eingestellt des Kühlmittels übermäßig absinkt. 20 werden, daß sie den idealen Reaktionsbedingungen

Reaktoren mit innerem Wärmeaustausch zeigen nahe kommt.

Schwierigkeiten bei der Temperaturregulierung, da Zur Erläuterung der Erfindung wird das in den

das isotherme Arbeiten der Katalysatorschicht ge- Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel eines

währleistet sein soll. Synthesereaktors mit Einrichtung zur Temperatur-

Zum Beispiel bei der Ammoniaksynthese sinkt die 25 regulierung der Katalysatorschicht beschrieben.
Reaktionsgeschwindigkeit fortschreitend mit dem An- F i g. 1 ist ein Vertikalschnitt eines Synthesesteigen der Ammoniakkonzentration, und infolge- reaktors, der für die Ammoniaksynthese verwendet dessen sinkt die pro Mengeneinheit des Katalysators werden kann;

erzeugte Wärmemenge. Im Eingangsteil des Kata- F i g. 2 ist ein Schnitt nach der Linie A₁-A₁ der

lyseraums wird also eine große Wärmemenge erzeugt, 30 F i g. 1;

und es erfolgt ein scharfer Temperaturanstieg. Im F i g. 3 zeigt in graphischer Darstellung die Kur-Ausgangsteil hingegen ist die Wärmeentwicklung be- ven der Temperaturänderung der Katalysatorschicht, schränkt, und die Temperatur steigt nur langsam. Der Reaktor hat einen Außenzylinder 1 und einen Um eine isotherme Reaktion durchzuführen, muß Innenzylinder 2. Zwischen beiden besteht der Ringalso der Wärmeaustausch bzw. die Kühlwirkung im 35 raum 3. Das obere Ende des Außenzylinders 1 ist Eingangsteil verstärkt und später, besonders im Aus- von dem Deckel 4 dicht verschlossen. Nahe am gangsteil, abgeschwächt oder sogar unterbunden wer- oberen Ende des Außenzylinders 1 ist ein Einlaß 5 den können. für Frischgas zur Kühlung des Außenzylinders 1 vor-

Hierzu werden zwei Methoden angewendet. Nach gesehen. Der Haupteinlaß 6 für das Frischfas be-

der einen läßt man Frischgas zur Kühlung parallel 40 findet sich nahe am Boden des Außenzylinders 1.

mit dem umgesetzten Gas fließen, nach der anderen Ein Abstandsring 8 mit vielen kleinen Bohrungen 7

läßt man diese Gase im Gegenstrom fließen. Bei ist im Ringraum 3 am oberen Ende des Innenzylin-

Parallelfluß steigt die Temperatur im Ausgangsteil ders 2 angeordnet.

des Katalyseraums. Unter Berücksichtigung der Der Innenzylinder 2 ist unterteilt in den Reaktions-Reaktionsgeschwindigkeit und der Gleichgewichts- 45 raum 9 im oberen Teil und dem Wärmeaustauschkonzentration ist es jedoch erwünscht, daß mit stei- raum 10 im unteren Teil. Das obere Ende des Innengender Ammoniakkonzentration die Temperatur er- Zylinders 2 ist von der wärmeisolierenden Platte 11 niedrigt wird. Bei Gegenstromfluß kann die Tem- abgeschlossen. Zwischen dem Reaktionsraum 9 und peratur im Eingangsteil so hoch ansteigen, daß der dem Wärmeaustauschraum 10 sind die Ventilations-Katalysator geschädigt wird. Im Ausgangsteil hin- 50 kammern 13 und 14 angeordnet. Am unteren Ende gegen kann die Temperatur soweit absinken, daß die der Wärmeaustauschkammer 10 und unterhalb des erforderliche Reaktionstemperatur nicht mehr er- Innenzylinders 2 ist die Ventilationskammer 15 anreicht wird. geordnet. Der Ringabstand 16 zum Außenzylinder 1

Aufgabe der Erfindung ist, die vorstehenden dient als Hauptdurchgangsweg für das Frischgas.
Schwierigkeiten zu beheben und katalytische Syn- 55 Der Reaktionsraum 9 ist vertikal unterteilt in thesereaktionen der genannten Art mit besserem mehrere zylindrische und konzentrische Katalysator-Wirkungsgrad durchzuführen. räume 17, die nach oben offen sind und nach unten

Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktor für über die Ventilationskammer 13 mit dem Wärmeexotherme Synthesereaktionen mit Temperatur- austauschraum 10 in Verbindung stehen. Jeder Ringregelungseinrichtung für die Katalysatorschicht, bei 60 raum 18 zwischen den benachbarten Katalysatordem in einem Außenzylinder unter Zwischenlassung räumen 17 steht am oberen Ende mit den Kataeines Ringraumes ein Innenzylinder angeordnet ist lysatorräumen 17 und am unteren Ende über die und dieser Innenzylinder in einen Wärmeaustausch- Ventilationskammer 14 mit dem Wärmeaustauschraum und einen Reaktionsraum unterteilt ist, wobei raum 10 in Verbindung. Ferner ist jeder Ringraum der Wärmeaustauschraum eine Reihe von das um- 65 18 mit mehreren Kühlgasrohren 19 versehen,
gesetzte Gas abführenden Rohren und eine Reihe von Die Kühlgasrohre 19 münden in den Ringräumen versetzt angeordneten Umlenkböden aufweist. Dieser 18, zum Teil in der Zona α oberhalb des Mittelteils Reaktor ist dadurch gekennzeichnet, daß der Reak- des Reaktionsraums 9, zum Teil in der Zone b im

Mittelteil des Reaktionsraums, zum Teil in der Zone c unterhalb des Mittelteils des Reaktionsraums. Die Kühlgasrohre 19 sind durch die wärmeisolierende Platte 11 geführt und an die von außen kommende Zufuhrleitung 25 angeschlossen.

Der Wärmeaustauschraum 10 enthält eine Vielzahl von versetzten angeordneten Umlenkböden 21 und eine Vielzahl von Reaktionsgasrohren 20, die vertikal durch den Wärmeaustauschraum 10 laufend die Ventilationskammern 13 und 15 miteinander verbinden. Zwischen dem untersten Umlenkboden 21 und dem oberen Ende der Ventilationskammer 16 ist in der Wandung ein rundum laufender Spalt 22 vorgesehen, der eine direkte Verbindung zwischen dem Wärmeaustauschraum 10 und der Innenseite des Außenzylinders 1 herstellt.

Das Einleitungsrohr 23 dient beim Ingangsetzen des Reaktors zur Zuführung von erwärmten Frischgas und gleichfalls zur Zuführung von kühlendem Frischgas, um einen unerwünschten Temperaturanstieg im Raum oberhalb der Katalysatorschicht zu vermeiden. Das umgesetzte Reaktionsgas wird durch i) den Auslaß 24 abgeführt.

Der Reaktor arbeitet folgendermaßen: Die Hauptmenge des Frischgases wird durch den Haupteinlaß 6 zugeführt. Ein Teil des Frischgases wird zur Kühlung des Außenzylinders 1 durch den Einlaß 5 zugeführt und strömt durch die kleinen Bohrungen 7 des Abstandsrings 8 im Ringraum 3 abwärts. Am unteren Ende des Ringraums 3 erfolgt eine Mischung des Kühlgases und des durch den Haupteinlaß 6 zugeführten Frischgases, und der Gasstrom tritt durch den Spalt 22 in den Wärmeaustauschraum 10.

Im Wärmeaustauschraum 10 steigt der Gasstrom im Zickzack zwischen den versetzt angeordneten Umlenkböden 21 empor und wird dabei fortschreitend an den Rohren 20, in denen das Reaktionsgas abwärts strömt, erwärmt. Dann gelangt das Frischgas über die Ventilationskammer 14 zum Reaktionsraum 9, wo es durch die zwischen den Katalysatorräumen 17 liegenden Ringräume 18 emporsteigt und die Katalysatorräume 17 kühlt. Unterdessen wird das durch die Zufuhrleitung 25 eingebrachte Gas durch } die Rohre 19 in die Ringräume 18 geleitet.

Das so zugeführte kühlende Frischgas mischt sich mit dem aufsteigenden Frischgas, wobei die Temperatur gesenkt wird. Beim Aufwärtsströmen werden die Katalysatorräume 17 gekühlt und bekommen die für die Synthesereaktion günstige Temperatur. Dann gelangt der Gasstrom von oben her in die Katalysatorräume 17 des Reaktionsraums 9.

Vom Boden der Katalysatorräume 17 strömt das umgesetzte Gas über die Ventilationskammer 13 durch die Rohre 20, an denen der Wärmeaustausch stattfindet, und dann in die Ventilationskammer 15, von wo es durch den Auslaß 24 abgeführt wird.

Mit einem erfindungsgemäß aufgebauten Reaktor lassen sich folgende Vorteile erzielen:

Durch die Verbindung der zur Kühlung des Reaktionsraums 9 dienenden Ringräume 18 mit den Kühlgasrohren 19 kann durch das von außen zugeführte Kühlgas die Temperatur in den Ringräumen 18 nach Wunsch geregelt werden. Hierzu ist es auch vorgesehen, daß die Kühlgasrohre 19 teils in der Zone a, teils in der Zone b und teils in der Zone c münden.

Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases in den Ringräumen 18 ist am niedrigsten unterhalb der Zone c, erhöht sich zwischen den Zonen c und b, erhöht sich weiter zwischen den Zonen b und α und ist am höchsten oberhalb der Zone a. Durch Einstellung bzw. Abstimmung der Strömungsgeschwindigkeiten ist es ermöglicht, ein übermäßiges Absinken der Temperatur im Ausgangsteil der Katalysatorschicht ebenso wie ein übermäßiges Ansteigen der Temperatur im Eingangsteil der Katalysatorschicht zu vermeiden. Ferner lassen sich lokale Überhitzungen der Katalysatorschicht vermeiden.

Bei derartigen Reaktoren hat man im allgemeinen die Erscheinung, daß mit dem Schwächerwerden des Katalysators der Bereich, in dem die Reaktion am schnellsten erfogt, oder in dem die Temperatur am stärksten ansteigt, fortschreitend zum Ausgangsteil der Katalysatorschicht verschoben wird. Diese Schwierigkeiten können durch Temperaturregelung mittels zweckmäßigen Arbeitens mit den Kühlgasrohren 19 behoben werden.

Das folgende Ausführungsbeispiel erläutert die Temperaturverhältnisse.

Als Ausgangsgas wurde ein Gemisch von Wasserstoff und Stickstoff im Verhältnis von etwa 3:1 und mit einem Ammoniakgehalt von 2,0 % verwendet.

Die Temperatur der Katalysatorschicht lag zwischen 450 und 520° C, der Druck betrug 300 atm.

Durch den Haupteinlaß 6 wurde das Frischgas mit einer Temperatur von 180° C zugeführt und an den Rohren 20, durch die das Reaktionsgas mit 480 bis 380° C strömte, aufgeheizt, so daß die Temperatur in der Ventilationskammer 14 420° C und am Zugang der Katalysatorräume 480° C betrug.

Das Frischgas, das zur Kühlung durch den Einlaß 5, die Kühlgasrohre 19 und die Leitung 23 eingeführt wurde, hatte eine Temperatur von 35° C. An den Mündungsstellen der Kühlgasrohre 19 wurde die Gastemperatur von etwa 490 auf 420° C gesenkt.

Die Temperatur des Reaktionsgases an den Ausgangen der Katalysatorräume 17 betrug 480° C und am Auslaß 24 380° C. Der Ammoniakgehalt lag bei 18 bis 20%.

Die Kurven der F i g. 3 zeigen den Verlauf der Gastemperatur, insbesondere an den einzelnen Stellen der Katalysatorschicht. Die Punktet, B undC entsprechen den Zonen«, b und c in Fig. 1. An diesen Stellen erfolgt die Mischung des in den Ringräumen 18 aufsteigenden Frischgases mit dem durch die Rohre 19 zugeführten Kühlgas. Aus der die Katalysatorschicht betreffenden Kurve ist ersichtlich, daß eine über die gesamte Länge der Katalysatorschicht weitgehend gleichmäßige Temperatur erreicht wurde, insbesondere daß zu Beginn der Umsetzung kein schädliches Ansteigen und gegen Ende der Um-Setzung kein schädliches Abfallen der Temperatur erfolgte.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Reaktor für exotherme Synthesereaktionen mit Temperaturregelungseinrichtung für die Katalysatorschicht, bei dem in einem Außenzylinder unter Zwischenlassung eines Ringraums ein Innenzylinder angeordnet ist, und dieser Innenzylinder in einen Wärmeaustauschraum und einen Reaktionsraum unterteilt ist, wobei der Wärmeaustauschraum eine Reihe von das umgesetzte Gas

   abführenden Rohren und eine Reihe von versetzt angeordneten Umlenkböden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum (9) vertikal unterteilt ist in konzentrische, zylindrische Katalysatorräume (17), zwischen denen Ringräume (18) für aufsteigendes Frischgas verlaufen, und daß in diesen Ringräumen in verschiedener Höhe Kühlgasrohre (19) münden, die an eine Kühlgaszufuhrleitung (25) angeschlossen sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen