DE1542531C - Synthesereaktor mit Temperaturregelungseinrichtung für die Katalysatorschicht - Google Patents

Description

muß. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Temperatur der Katalysatorschicht vor Einwirken des Kühlmittels übermäßig ansteigt und nach Einwirken des Kühlmittels übermäßig absinkt.

Reaktoren mit innerem Wärmeaustausch zeigen Schwierigkeiten bei der Temperaturregulierung, da das isotherme Arbeiten der, Katalysatorschicht gewährleistet sein soll.

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.

Im Gegensatz zu den bekannten Reaktoren kann erfindungsgemäß durch eine sukzessive Regulierung die Temperatur der Katalysatorschicht so eingestellt werden, daß sie den idealen Reaktionsbedingungen nahe kommt.

Zur Erläuterung der Erfindung wird das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel eines Synthesereaktors mit Einrichtung zur Temperatur-Zum Beispiel bei der Ammoniaksynthese sinkt die 25 regulierung der Katalysatorschicht beschrieben. ·
Reaktionsgeschwindigkeit fortschreitend mit dem An- Fig. 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 beder 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 Ausgahgsteil 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 erreicht wird.

Aufgabe der Erfindung ist, die vorstehenden Schwierigkeiten zu beheben und katalytische Synthesereaktionen der genannten Art mit besserem Wirkungsgrad durchzuführen:

Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktor für exotherme Synthesereaktionen mit Temperatur-

Innenzylinders 2 ist die Ventilationskammer 15 angeordnet. Der Ringabstand 16 zum Außenzylinder 1 dient als Hauptdurchgangsweg für das Frischgas.

Der Reaktionsraum 9 ist vertikal unterteilt in mehrere zylindrische und konzentrische Katalysatorräume 17, die nach oben offen sind und nach unten über die Ventilationskammer 13 mit dem Wärmeaustauschraum 10 in Verbindung stehen. Jeder Ring

regelungseinrichtung 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
und dieser Innenzylinder in einen Wärmeaustausch

raum und einen Reaktionsraum unterteilt ist, wobei

lysatorräumen 17 und am unteren Ende über die Ventilationskammer 14 mit dem Wärmeaustauschraum 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 Reaktor ist dadurch gekennzeichnet, daß der Reak-

18, zum Teil in der Zona α oberhalb des Mittelteils des Reaktionsraums 9, zum Teil in der Zone b im

Claims (1)

1. 3 4

   Mittelteil des Reaktionsraums, zum Teil in der Zone c, erhöht sich zwischen den Zonen c und b, erZone c unterhalb des Mittelteils des Reaktionsraums. höht sich weiter zwischen den Zonen b und α und Die Kühlgasrohre 19 sind durch die wärmeisolierende ist am höchsten oberhalb der Zone a. Durch Ein-Platte 11 geführt und an die von außen kommende stellung bzw. Abstimmung der Strömungsgeschwin-Zufuhrleitung 25 angeschlossen. 5 digkeiten ist es ermöglicht, ein übermäßiges Absinken

   Der Wärmeaustauschraum 10 enthält eine Viel- der Temperatur im Ausgangsteil der Katalysatorzahl von versetzten angeordneten Umlenkböden 21 schicht ebenso wie ein übermäßiges Ansteigen der und eine Vielzahl von Reaktionsgasrohren 20, die Temperatur im Eingangsteil der Katalysatorschicht vertikal durch den Wärmeaustauschraum 10 laufend zu vermeiden. Ferner lassen sich lokale Überhitzundie Ventilationskammern 13 und 15 miteinander ver- io gen der Katalysatorschicht vermeiden,
   binden. Zwischen dem untersten Umlenkboden 21 Bei derartigen Reaktoren hat man im allgemeinen und dem oberen Ende der Ventilationskammer 16 die Erscheinung, daß mit dem Schwächerwerden des ist in der Wandung ein rundum laufender Spalt 22 Katalysators der Bereich, in dem die Reaktion am vorgesehen, der eine direkte Verbindung zwischen schnellsten erfogt, oder in dem die Temperatur am dem Wärmeaustauschraum 10 und der Innenseite des 15 stärksten ansteigt, fortschreitend zum Ausgangsteil Außenzylinders 1 herstellt. der Katalysatorschicht verschoben wird. . Diese

   Das Einleitungsrohr 23 dient beim Ingangsetzen Schwierigkeiten können durch Temperaturregelung des Reaktors zur Zuführung von erwärmten Frisch- mittels zweckmäßigen Arbeitens mit den Kühlgasgas und gleichfalls zur Zuführung von kühlendem rohren 19 behoben werden.

   Frischgas, um . einen unerwünschten Temperatur- 20 Das folgende Ausführungsbeispiel erläutert die

   anstieg im Raum oberhalb der Katalysatorschicht zu Temperaturverhältnisse.

   vermeiden. Das umgesetzte Reaktionsgas wird durch Als Ausgangsgas wurde ein Gemisch von Wasser-

   den Auslaß 24 abgeführt. stoff und Stickstoff im Verhältnis von etwa 3 : 1 und

   Der Reaktor arbeitet folgendermaßen: Die Haupt- mit einem Ammoniakgehalt von 2,0 °/o verwendet,
   menge des Frischgases wird durch den Haupteinlaß 6 25 Die Temperatur der Katalysatorschicht lag zwizugeführt. Ein Teil des Frischgases wird zur Kühlung sehen 450 und 520° C, der Druck betrug 300 atm.
   des Außenzylinders 1 durch den Einlaß 5 zugeführt Durch den Haupteinlaß 6 wurde das Frischgas mit und strömt durch die kleinen Bohrungen 7 des Ab- einer Temperatur von 180° C zugeführt und an den Standsrings 8 im Ringraum 3 abwärts. Am unteren Rohren 20, durch die das Reaktionsgas mit 480 bis Ende des Ringraums 3 erfolgt eine Mischung des 30 380° C strömte, aufgeheizt, so daß die Temperatur Kühlgases und des durch den Haupteinlaß 6 zu- in der Ventilationskammer 14 420° C und am Zugeführten Frischgases, und der Gasstrom tritt durch gang der Katalysatorräume 480° C betrug,
   den Spalt 22 in den Wärmeaustauschraum 10. Das Frischgas, das.zur Kühlung durch den Ein-

   Im Wärmeaustauschraum 10 steigt der Gasstrom laß 5, die Kühlgasrohre 19 und die Leitung 23 ein-

   im Zickzack zwischen den versetzt angeordneten Um- 35 geführt wurde, hatte eine Temperatur von 35° C.

   lenkböden 21 empor und wird dabei fortschreitend An den Mündungsstellen der Kühlgasrohre 19 wurde

   an den Rohren 20, in denen das Reaktionsgas ab- die Gastemperatur von etwa 490 auf 420° C ge-

   wärts strömt, erwärmt. Dann gelangt das Frischgas senkt.

   über die Ventilationskammer 14 zum Reaktions- Die Temperatur des Reaktionsgases an den Ausraum 9, wo es durch die zwischen, den Katalysator- 40 gangen der Katalysatorräume 17 betrug 480° C und räumen 17 liegenden Ringräume 18 emporsteigt und am Auslaß 24 380° C. Der Ammoniakgehalt lag bei die Katalysatorräume 17 kühlt. Unterdessen wird das 18bis20%>.

   durch die Zufuhrleitung 25 eingebrachte Gas durch Die Kurven der F i g. 3 zeigen den Verlauf der

   die Rohre 19 in die Ringräume 18 geleitet. Gastemperatur, insbesondere an den einzelnen Stel-

   Das so zugeführte kühlende Frischgas mischt sich 45 Ien der Katalysatorschicht. Die Punktet, B und C mit dem aufsteigenden Frischgas, wobei die Tem- entsprechen den Zonen α, b und c in Fig. 1. An peratur gesenkt wird. Beim Aufwärtsströmen werden diesen Stellen erfolgt die Mischung des in den Ringdie Katalysatorräüme 17 gekühlt und bekommen die räumen 18 aufsteigenden Frischgases mit dem durch für die Synthesereaktion günstige Temperatur. Dann die Rohre 19 zugeführten Kühlgas. Aus der die gelangt der Gasstrom von oben her in die Kata- 50 Katalysatorschicht betreffenden Kurve ist ersichtlich, lysatorräume 17 des Reaktionsraums 9. daß eine über die gesamte Länge der Katalysator-

   Vom Boden der Katalysatorräume 17 strömt das schicht weitgehend gleichmäßige Temperatur erreicht umgesetzte Gas über die Ventilationskammer 13 wurde, insbesondere daß zu Beginn der Umsetzung durch die Rohre 20, an denen der Wärmeaustausch kein schädliches Ansteigen und gegen Ende der Umstattfindet, und dann in die Ventilationskammer 15, 55 Setzung kein schädliches Abfallen der Temperatur von wo es durch den Auslaß 24 abgeführt wird. erfolgte.

   Mit einem erfindungsgemäß aufgebauten Reaktor

   lassen sich folgende Vorteile erzielen: Patentanspruch:

   Durch die Verbindung der zur Kühlung des ' .

   Reaktionsraums 9 dienenden Ringräume 18 mit den 60

   Kühlgasrohren 19 kann durch das von außen zu- " Reaktor für exotherme Synthesereaktionen mit geführte Kühlgas die Temperatur in den Ringräumen Temperaturregelungseinrichtung für die Kata-18 nach Wunsch geregelt werden. Hierzu ist es auch lysatorschicht, bei dem in einem Außenzylinder vorgesehen, daß die Kühlgasrohre 19 teils in der unter Zwischenlassung eines Ringraums ein Zone a, teils in der Zone b und teils in der Zone c 65 Innenzylinder angeordnet ist, und dieser Innenmünden, zylinder in einen Wärmeaustauschraum und einen

   Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases in Reaktionsraum unterteilt ist, wobei der Wärmeden Ringräumen 18 ist am niedrigsten unterhalb der austauschraum 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