DE1601148C - Vorrichtung zur mehrstufigen Be handlung, insbesondere Wärmebehandlung, eines Fluids mit einem schuttfahigen Kontaktmatenal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur mehrstufigen Behandlung, insbesondere Wärmebehandlung, eines Fluids mit einem schüttfähigen Kontaktmaterial in einer Mehrzahl von Festbetten mit direktem Wärmeaustausch des Fluids zwischen den einzelnen Stufen, bestehend aus einer langgestreckten Kammer mit einem Einlaß für das zu behandelnde Fluid an ihrem einen und einem Auslaß für den Produktstrom an ihrem entgegengesetzten Ende, im Abstand voneinander angeordneten, quer zur Längsachse der Kammer verlaufenden Unterteilungswänden, die die Kammer in eine Mehrzahl von Berührungszonen mit darin angeordnetem Kontaktmaterial unterteilen, einem Durchflußkanal für das Fluid mit verringertem Querschnitt durch jede der Unterteilungswände und mindestens einer Leitung zur Zuführung eines Heiz- oder Kühlmittels in das Innere der Kammer stromaufwärts von jeder Unterteilungswand.

Auf den Gebieten der Erdölverarbeitung und chemischen Indurstrie sind verschiedene mehrstufige Reaktoren bekannt, bei ■ welchen die Einführung eines Heiz- oder Kühlmittels in eine Reaktionskammer mit aufeinander folgenden Berührungszonen erfolgt. Diese bekannten Vorrichtungen sind jedoch nicht in allen Punkten zufriedenstellend. Beispielsweise treten bei der Durchführung einer endothermen mehrstufigen Umwandlung, wie der Dehydrierung von Äthylbenzol, zwei Probleme bei der Betriebsdurchführung auf. Einmal muß der in den Umwandlungszonen stattfindenden endothermen Reaktion Wärme zugeführt werden, zum anderen soll der Druckabfall über jede Berührungszone so gering wie möglich gehalten werden, insbesondere wenn das Verfahren bei so niedrigen Drücken wie z. B. weniger als 0,7 bis 1,0 atü durchgeführt wird. Andererseits werden exotherme Hydrokrack- und Hydrierverfahren am günstigsten unter Anwendung von Zwischenzuführungen kalter Wasserstoffströme oder anderer geeigneter Kühlmittelströme zwischen den einzelnen Zonen durchgeführt, um eine gute Temperaturregelung über die Gesamtreaktionszone zu gewährleisten.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art bildet das Problem des Druckabfalls zwischen den einzelnen Stufen eine der Hauptschwierigkeiten. Der Druckabfall zwischen den einzelnen Stufen führt bei bekannten Vorrichtungen dieser Gattung zu einem schwierig zu steuernden und weit unter der theoretisch möglichen Menge liegenden Reaktordurchsatz und darüber hinaus zu einem unvollständigen Wärmeaustausch zwischen dem Reaktionsteilnehmerstrom und dem Heiz- bzw. Kühlmittel,

Es ist bereits eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Kühlen oder Trocknen körniger Stoffe mit Gasen bekannt (deutsche Patentschrift 965 779), in der die Stoffe zunächst über einen kegelförmigen, mit Gasdurchgangsöffnungen versehenen oberen Zwischenboden wandern und an den Rändern von diesem Zwischenboden auf einen darunter liegenden, mit Gasdurchgangsöffnungen versehenen, ebenfalls kegelförmigen Schrägboden übergehen, und in welcher in einem gemeinsamen Gehäuse mehrere Gruppen derartiger Zwischenboden und Schrägböden übereinanderliegend angeordnet sind, über die der zu behandelnde Stoffstrom unter Beeinflussung durch die unterhalb des untersten Schrägbodens eingeblasenen Gase nacheinander abwärts wandert.

Bei dieser bekannten Vorrichtung wandert der Feststoff, es wird nur ein Gas durch den Feststoff geleitet, und es wird im Gegenstrom gearbeitet. Eine derartige Vorrichtung ist erfindungsgemäß nicht vorgesehen.

Aufoabe der Erfinduns: ist es, eine Vorrichtung zur

mehrstufigen Behandlung, insbesondere Wärmebehandlung, eines Fluids zu schaffen, welche in technisch einfacher und wirkungsvoller Weise einen guten Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und dem Heiz- oder Kühlmittel herbeiführt und das Problem des hohen Druckabfalls löst.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leitung zur Zuführung des Heiz- oder Kühlmittels zu einer Austrittsdüse führt, welche koaxial in dem zugehörigen Fluid-Durchflußkanal angeordnet ist und mit diesem eine ringförmige Saugdüse zum Fördern des Fluids aus der jeweils vorausgehenden in die stromabwärts nächste Berührungszone bildet.

Durch die neue Vorrichtung wird auf das Fluid mit Hilfe des Heiz- bzw. Kühlmittels eine nach unten gerichtete Saugwirkung ausgeübt. Hierdurch wird sowohl der durch die Vorrichtung und die Behandlungsart bedingte Druckabfall weitgehend ausgeglichen als auch eine bessere Vermischung des Heiz- bzw. Kühlmittels mit dem Fluid gewährleistet. Hierdurch kann wiederum der Reaktordurchsatz beträchtlich gesteigert werden. Dabei ist die Vorrichtung apparativ einfach ausgebildet und damit billig in der Herstellung, weitgehend wartungsfrei und störungsunanfällig.

In weiterer Ausbildung ist die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Fluid-Durchflußkanäle und Austrittsdüsen koaxial mit der Längsachse der langgestreckten Kammer angeordnet sind.

Vorteilhaft können sämtliche Austrittsdüsen die Form von Venturidüsen aufweisen und aus zwei Kegelstümpfen bestehen, die an ihren kleineren Querschnitten miteinander verbunden sind.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder Unterteilungswand und der zugehörigen Austrittsdüse eine für das zu behandelnde Fluid durchlässige Wand zur Stützung des Festbettes angeordnet ist, welches als unterste Schicht eine Schicht eines inerten festen teilchenförmigen Materials aufweist, auf der das Kontaktmaterial der betreffenden Berührungszone ruht.

Eine andere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß sich an das stromabwärts liegende Ende eines jeden Fluid-Durchflußkanals eine Mischzone anschließt, die von einer in Stromabwärtsrichtung befindlichen im wesentlichen öffnungsfreien Bodenplatte und einem achsparallele Schlitze aufweisenden Mantel umgrenzt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf die Verwendung irgendeines besonderen Katalysators oder Feststoffs und nicht auf irgendeine besondere Umwandlung oder Behandlung eines Fluids beschränkt.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Gemäß der Zeichnung weist eine senkrechte langgestreckte Kammer 1 einen Fluideinlaß 2 an ihrem Oberende und einen Reaktionsproduktauslaß 3 an ihrem Unterende auf. Quer durch das Innere der Kammer 1 erstrecken sich mehrere in Abständen zueinander angeordnete Unterteilungswände 4, die eine Mehrzahl von getrennten aufeinanderfolgenden Berührungszonen 5 bilden. Letztere sind, wie aus der Zeichnung ersichtlich, mindestens teilweise mit einem Katalysator oder einem anderen geeigneten Kontaktmaterial zur Durchführung einer gewünschten Umwandlung oder Behandlung des Fluids gefüllt.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ist der in den Berührungszonen 5 befindliche Katalysator in jedem Bett mit einer Verteilungsschicht 6 aus Keramikkugeln oder einem · anderen Material von ähnlich gleichmäßiger Größe überdeckt, um einen gleichmäßigen Medienfluß durch das jeweilige Festbett des Kontaktmaterials zu unterstützen. Ein Fluidstrom tritt in den oberen Abschnitt der Kammer 1 durch den Einlaß 2 ein, wird dabei durch eine Ablenkplatte 7 weitgehend verteilt und strömt dann durch die obere Schicht 6 und danach durch die erste Berührungszone 5. Bei der dargestellten Ausführungsform befinden sich auch Keramikkugeln oder ähnliche Körper in einem unteren Fluidsammelabschnitt 28 unterhalb eines jeden Kontaktmaterialbetts. Diese bilden eine Auflage für die Kontaktmaterialteilchen. Derartige Betten eignen sich gut für eine gleichmäßige Verteilung des Fluids und eine Verhinderung von Kanalbildung durch den langgestreckten Reaktionsturm. Geeignete mit Öffnungen versehene Bauteile oder Traggitter 9 mit Sieben 10 sind in allen Betten über einen zentralen Fluid-Durchflußkanal 11 in jeder Unterteilungswand 4 angeordnet, um ein Hindurchfallen von Keramikkugeln 8 und Kontaktmaterial durch die offenen Durchflußkanäle zwischen den Stufen zu verhindern.

Gemäß der Erfindung wird ein Heiz- oder Kühlmittel in das Innere der Kontaktkammer 1 über Einlaßstutzen 12 und Leitungen 13 eingeführt; letztere leiten das Heiz- oder Kühlmittel in eine vorzugsweise mittig angeordnete abwärts gerichtete Austrittsdüse 14. Bei der dargestellten Ausführungsform hat die Düse 14 die Form einer Venturidüse und besteht im wesentlichen aus zwei Kegelstümpfen,, die an ihren kleineren Querschnitten miteinander verbunden sind. Der sich nach unten erweiternde Kegelstumpf 15 ist in jeder Durchgangszone in einem Abstand einwärts vom Rand der Öffnung in der Unterteilungswand 4 angeordnet, so daß ein nicht notwendig konzentrischer ringförmiger Durchflußkanal 11 für das Fluid gebildet ist; dieser führt in eine Mischzone 16. Ein Fluidstrom hoher Geschwindigkeit durch die einander gegenüberliegenden Leitungen 13 führt zu einer Vereinigung der Ströme im Einlaßteil der Düse 14. Der Strom wird in Stromabwärtsrichtung ausgestoßen, übt eine Saugwirkung auf das die Reaktionsteilnehmer enthaltende Medium im unteren Sammelabschnitt 28 einer jeden Berührungszone aus und zieht das Medium durch die Siebe 10 in die Misch- und Verteilungszone 16.

Die Misch- und Verteilungszone 16 besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus einem zylindrischen Mantel 17 mit Schlitzen 18 und einer Bodenplatte 19, die keine Öffnungen aufweist. Demzufolge wird der sich ergebende Mischstrom seitlich aus der Mischzone 16 in einen freien Raum 20 ausgestoßen, der als Einlaßgebiet für die nächste anschließende Berührungszone dient. Die Venturiwirkung führt zu einem Ansaugen und Wiederverdichten des aus der vorausgehenden Berührungszone abfließenden Fluids bei dessen Eintritt in die nächste Berührungszone.

Beispielweise kann in Verbindung mit einer bei hoher Temperatur ablaufenden endothermen Reaktion, z. B. der Dehydrierung von Äthylbenzol zur Erzeugung von Styrol, überhitzter Wasserdampf als

Heizmittel für die Umwandlung verwendet werden. Dieser überhitzte Wasserdampf wird durch die Stutzen 12 und die Austrittsdüse 14 bei einer Temperatur in der Gegend von z. B. 770° C in Stromabwärtsrichtung in die Anlage eingeführt, so daß er den Fluß der Kohlenwasserstoffdämpfe, die sich in dem stromaufwärts gelegenen Sammelabschnitt 28 ansammeln, fördert. Dabei werden die Dämpfe gleichzeitig wieder auf die gewünschte Temperatur, die in der Gegend von z. B. 604° C liegen kann, erhitzt, wenn sie die Mischzone 16 verlassen und in die nächste anschließende Berührungsstufe eintreten. In den stromabwärts nachfolgenden Stufen kann überhitzter Wasserdampf von noch höherer Temperatur eingeführt werden, um die Temperatur des Fluids bei seinem Fluß von Stufe zu Stufe durch den gesamten Mehrstufenreaktor schrittweise zu erhöhen. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, diese Dehydrierreaktion bei einem niederen Druck in der Gegend von etwa 0,7 atü oder vorzugsweise noch etwa darunter durch¹ zuführen. Die Gewährleistung eines angemessenen Flusses des Fluids ohne Überschreitung dieses Drucks ist aber, ohne die Maßnahmen gemäß der Erfindung, infolge des Druckabfalls beim Durchgang durch die aufeinanderfolgenden Kontaktmaterialbetten schwierig oder sogar unmöglich. Durch Anwendung der Erfindung wird diese Schwierigkeit beseitigt, und zwar durch die vorstehend beschriebene Saugförderwirkung, die den gewünschten Fluß des Fluids ohne die Nachteile eines übermäßigen Druckabfalls in irgendeiner Stelle des gesamten Strömungswegs ermöglicht.

Im Falle von exothermen Verfahren, z. B. Hydrierungen, kann ein verhältnismäßig kalter Wasserstoffstrom durch jeden der Einlasse 12 als Förder- und Wärmeaustauschmedium eingeführt werden. Dieser erfüllt wiederum die doppelte Funktion, das Fluid in der betreffenden Mischzone 16 zu kühlen und die Förderwirkung oder Weiterspülung des Fluids von einer Stufe in die nächste zu unterstützen, so daß eine wesentliche Verringerung des Gesamtdruckgefälles zwischen dem ersten Einlaß und dem endgültigen Auslaß des Mehrstufenreaktors erzielt wird.

Es können verschiedene Abwandlungen bezüglich der baulichen Merkmale der dargestellten Ausführungsform vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann ein einziger Einlaß für das Heiz- bzw. Kühlmittel, der in einer geeigneten Austrittsdüse in Form einer Venturidüse mündet, in Verbindung mit jedem Fluid-Durchflußkanal der einzelnen Stufen angeordnet werden, um die gewünschte Saugförderwirkung herbeizuführen. Wenn mehrere Einlasse für das Heizbzw. Kühlmittel, etwa nach Art der Einlasse 12 bei der dargestellten Ausführungsform, in jeder Übergangszone zwischen den Stufen vorgesehen werden sollen, werden diese vorzugsweise in einem symmetrischen Muster angeordnet, so daß sich aufeinander zulaufende Strömungswege ergeben, die zu einem stromabwärts gerichteten, das Fluid ansaugenden Spülstrom führen. An Stelle der Schichten aus Keramikkugeln über und unter dem Katalysator oder Kontaktmaterial in den Berührungszonen 5 können verschiedene Arten von Gittern, Rosten oder Verteilerplatten zur Anwendung kommen, so daß jedenfalls eine Kanalbildung des Dämpfe- oder Flüssigkeitsstroms durch die aufeinanderfolgenden Stufen vermieden wird. Weiterhin können verschiedene Arten von Sieben oder Stützeinrichtungen unterhalb der im Sammelabschnitt 28 der einzelnen Berührungszonen befindlichen unteren Schicht von Keramikkugeln benutzt werden, um eine einwandfreie und gleichmäßige Lagerung der Feststoffe in jeder Stufe zu gewährleisten und einen Eintritt von Kontaktmaterial in die Fluid-Durchflußkanäle zwischen den Zonen zu verhindern.

Im allgemeinen wird die saugende Düsenanordnung zur Zuführung des Heiz- bzw. Kühlmittels mittig in bezug auf den Fluid-Durchflußkanal verringerten Querschnitts angeordnet, um einen gleichmäßigen Fluß durch die gesamte mehrstufige Vorrichtung aufrecht zu erhalten. Andererseits können bei Kammern großen Durchmessers, wo es vorteilhaft ist, mehr als einen Fluid-Durchflußkanal für die Überführung der Ströme von einer Stufe in die nächste anzuwenden, mehrere Saugfördereinrichtungen für das Heiz- oder Kühlmittel angeordnet werden, wobei mindestens eine Austrittsdüse oder Ausstoßeinrichtung für jeden Durchflußkanal zwischen den Berührungszonen zur Anwendung kommt, um eine verbesserte Strömung durch die Anlage herbeizuführen und den Druckabfall über die Gesamtvorrichtung zu verringern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur mehrstufigen Behandlung, insbesondere Wärmebehandlung, eines Fluids mit einem schüttfähigen Kontaktmaterial in einer Mehrzahl von Festbetten mit direktem Wärmeaustausch des Fluids zwischen den einzelnen Stufen, bestehend aus einer langgestreckten Kammer mit einem Einlaß für das zu behandelnde Fluid an ihrem einen und einem Auslaß für den Produktstrom an ihrem entgegengesetzten Ende, im Abstand voneinander angeordneten, quer zur Längsachse der Kammer verlaufenden Unterteilungswänden, die die Kammer in eine Mehrzahl von Berührungszonen mit darin angeordnetem Kontaktmaterial unterteilen, einem Durchflußkanal für das Fluid mit verringertem Querschnitt durch jede der Unterteilungswände und mindestens einer Leitung zur Zuführung eines "Heiz- oder Kühlmittels in das Innere der Kammer stromaufwärts von jeder Unterteilungswand, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (13) zur Zuführung des Heiz- oder Kühlmittels zu einer Austrittsdüse (14) führt, welche koaxial in dem zugehörigen Fluid-Durchflußkanal (11) angeordnet ist und mit diesem eine ringförmige Saugdüse zum Fördern des Fluids aus der jeweils vorausgehenden in die stromabwärts nächste Berührungszone (5) bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Fluid-Durchfiußkanäle (11) und Austrittsdüsen (14) koaxial mit der Längsachse der langgestreckten Kammer (1) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und/ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Austrittsdüsen (14) die Form von Venturidüsen aufweisen und aus zwei Kegelstümpfen bestehen, die an ihren kleineren Querschnitten miteinander verbunden sind.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder Unterteilungswand (4) und der zugehörigen Austrittsdüse (14) eine für das zu behandelnde Fluid durchlässige Wand (9, 10) zur Stützung des Festbettes angeordnet ist, welches als unterste Schicht eine Schicht eines inerten festen teilchenförmigen Materials aufweist, auf der das Kontaktmaterial der betreffenden Beruhrungszone (S) ruht.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich an das stromabwärts liegende Ende eines jeden Fluid-Durchflußkanals (11) eine Mischzone (16) anschließt, die von einer in Stromabwärtsrichtung befindlichen im wesentlichen öffnungsfreien Bodenplatte (19) und einem achsparallele Schlitze (18) aufweisenden Mantel (17) umgrenzt ist.