DE1767356C3 - Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytischer Reaktionen - Google Patents
Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytischer ReaktionenInfo
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Description
40 zielen. Das kann aber mit Hilfe des angeführten
Kühlbündel-Systems, bei dem es sich um eine Kombination von zwei Arten von indirekten Wärmeaus-
führung exothermer katalytischer Reaktionen, insbe- werden.
sondere unter hohem Druck, mit Einrichtungen zur 45 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl
selndem Hin- und Hergang über die Höhe eines Bet- liehen Temperaturbedingungen als auch die Abmes-
tes aus feinkörnigem Katalysator und Kaltgaszufüh- sungen und Formen des Katalysatorbettes und dip,
rungen in den Strom der heißen Reaktionsgase. 50 Strömung der Reaktionsmischung in optimaler Weise
Katalysatoren Verwendung, deren Leistung wesent- Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig bei einer
lieh höher ist als die grobkörniger Katalysatoren. Um Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytidie Vorteile eines feinkörnigen Katalysators in einem scher Reaktionen dadurch gelöst, daß an den Seiten
Reaktor mit möglichst kleinen Abmessungen optimal 55 des nicht unterteilten Katalysatorbettes im Ströausnutzen zu können, ist es notwendig, die Probleme mungswege der Reaktionsgase perforierte Wände ander Erwärmung und Kühlung der Reaktionsmischung, geordnet sind, die Sammel- und Verteilungsräume
der Eigenschaften des Katalysatorbettes sowie der begrenzen. Dabei münden die Kaltgaszuführungen
Strömung der Reaktionsmischung einer Lösung zu- in perforierten Verteilern, die peripher im Katalyzuführen. 60 satorraum oder im Sammelraum für die Reaktions-
durch einen feinkörnigen Katalysator überwiegend in Nach einer weiteren Maßnahme nach der Erfin-
radialer Richtung zu führen. Bei dieser Vorrichtung dung können die Sammel- und Verteilungsräume
ist jedoch an keine Kühlung gedacht (deutsche Aus- auch innerhalb des Katalysatorbettes angeordnet
legeschrift 1 128409). «5 werden.
größere Korndurchmesser seinerseits den feinkörni- maß zusätzlich im Bett des feinkörnigen Katalysators
gen Katalysator zurückhalten soll. Dabei tritt jedoch Kühlrohre angeordnet.
Es hat sieb els zweckmäßig erwiesen, im Strömungswege an den Seiten der Saminel- und Verteiiungsräume durch perforierte Wände begrenzte Zwischenschichten aus grobkörnigen Katalysator sowie
oberhalb dieser Zwischenschichten Vorratsbehälter anzuordnen.
Im Sammelraum für die Reaktionsgase sind Prallwände angeordnet.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, daß bei der Durchführung von katalyti- «
sehen heterogenen Reaktionen in einem festen Bett im Fall der Ausnutzung eines hochleistungsfähigen
Katalysators das Regeln der Wännebedingungen beim niedrigen Diuckverlust der strömenden Reaktionsmischung vorteilhaft gelöst wird. Dadurch wird
die Benutzung einer hohen Volumengeschwindigkeit der Reaktionsmischung und eine gute Ausnutzung
des Katalysators ermöglicht.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist in der Konstruktion sehr ao einfach, leicht montierbar oder demontierbar. Dieser
Vorteil ist besonders bei Anlagen für große Kapazitäten bedeutungsvoll.
Die Erfindung ermöglicht es, einen Reaktor mit relativ kleinen Abmessungen und mit hoher Leistung
zu konstruieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher
beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im
Längsschnitt, in welcher ein Mittelrohr vorgesehen ist.
Fig. 2a eine ähnliche Vorrichtung, jedoch ohne
Mitteirohr,
Fig. 2b eine Vorrichtung nach Fig. 2a im Querschnitt
und
Fig. 2c eine schematische Darstellung der Anordnung
von Prallwänden in den Sammlern und Verteilern.
In F i g. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung der Ammoniaksynthese als Beispiel einer katalytisehen
exothermen Reaktion dargestellt. Dabei wird ein Reaktionsgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff,
Ammoniak und gegebenenfalls inerten Komponenten, z. B. Methan und Argon, bei erhöhtem Druck,
z. B. 300 atü, nach Vorwärmung auf die Reaktionstemperatur, z. B. auf 440° C, umgesetzt.
Die Vorrichtung, !'ie sie in Fig. 1 dargestellt ist,
besteht aus einem zylinderförmigen Katalysatorbett mit einem die Außenwand des Katalysatorbettes bildenden
Außcnmantel 22, einem Mittelrohr 1, das die Innenwand des Katalysatorbettes bildet, einem Dekkel29
und einem perforierten Boden 30. Die Vorrichtung kann aber auch wie es Fig. 2 zeigt, ohne
Mittelrohr 1 angeordnet werden.
Im zylinderförmigen Katalysatorbett sind Sammel- und Verteilungsräume 3,10,15,18,24,27,31,32 mit
perforierten Wänden 4,8,14,28 angeordnet; die Sammel- und Verteilungsräume 3,10,15,18,27,31,32
liegen unmittelbar an den Seiten des Katalysatorbettes an, oder sie können sich auch, wie es in der Vorrichtung
für dir Querstromführung (siehe Fig. 2a
und 2 b, Bezugsziffer 24) zustandekommt, im Innern des Katalysatorbettes befinden.
In lotrechter Richtung sind die Sammel- und Ver teilungsräume für dns heiße Reaktionsgemisch so angeordnet,
daß sie nicht unmittelbar aufeinander folgen, sondern daß zwischen ihnen ein Raum gebildet
wird, dessen Größe der Höhe der feinkörnigen Kata lysatcrschicht entspricht,
An den Selten der Sammel- und Vertrinmgsräume
3,10,15,18,24,27,31,32 können im Stromungswege durch perforierte Wände 5,7,12 __ begrenzte Zwischenschichten 6,9,13 aus grobkörnigem
Katalysator angeordnet sein. Die perforierten Waude
4,8,14,28 der Sammel- und Verteilungsräurne3,10,
15,18,24,27,31,32, sowie die perforierten Wände 5,
7,12, die zu den Zwischenschichten 6,9,13 gehören,
können aus perforiertem Blech oder aus Drahtgeflecht hergestellt sein.
Über den Zwischenschichten für grobkörnigen Katalysator 6,9,13 sind Vorratsbehälter für grobkömigen Katalysator 21 angeordnet, die mit diesen
Zwischenschichten verbunden sind.
Die Sammel- und Verteiluiigsraume für die beiße.
Reaktionsmischung können mil Prallwänden 26 ausgestattet
sein (F i g. 2 c), die 7 ar besseren Vermischung des kalten und des heißen F^aktionsgemisches dienen.
Das Durchflußprofil in den Sammel- und Verleilungsräumen
wird entweder der ganzen Länge nach gleich oder verschieden gewählt, was von der
erforderlichen Strömung des Reaktionsgemische; und voii den Konstruktionsmöglichkeiten abhängig ist.
Das Katalysatorbett ist weiter mit Kaltgaszuführungen 17,20, die in perforierte Verteiler 16,19 .ui
kalte Reaktionsmischung münden, versehen. Diese Verteiler sind an der Außenwand des Katalysatorbettes
über den Sammel- und Verteilungsräumen der heißen Reaktionsmischung untergebracht, wobei sie
sich in dem Raum zwischen zwei Sammel- und Verteilungsräumen befinden; sie können auch so angeordnet
sein, daß sie direkt in den oberen Teil des Sammel- und Verteilungsraumes münden.
In manchen Fällen kann das Katalysatorbett mit Wärmeaustauschröhren 23 versehen sein, wie in
Fig. 2a und 2b veranschaulicht. Wärmeaustauschröhren
können ebenfalls in den Sammel- und Verte·- lungsräumen angeordnet sein.
Die Reaktionsmischung tritt durch das Mittelrohr 1 in das zylindrische Bett 2 mit feinkörnigem
Katalysator ein, wobei jedoch nur ein kleiner Teil der Reaktionsmischung durch diese Schicht in Axialnchtung
strömt. Der überwiegende Teil der Reaktionsmischung
tritt in den ersten Sammel- und Verteilungsraum 3 ein, strömt durch eine perforierte
Wand 4 in die erste Zwischenschicht aus grobkörnigem Katalysator 6 und von da, nachdem er die feinkörnige
Zone des Katalysators verlassen hat, durch eine grobkörnige Katalysatorschicht 9 in den oberen
Teil des Sammel- und Verteilungsraumes 10. Damit ist der erste radiale Durchgang vom Umfang zur
Mitte beendet. Die Reaktionsmischuiig strömt weitet
in den unteren Teil des Sammel- und Verteilungsraumes 10, ί us dem sie über die grobkönige Katalysatorschicht
9, die feinkörnige Katalysatorschicht und die grobkörnige Katalysatorschicht 13 in den oberen
Teil des Sammel- und Verteilungsraumes 15 eintritt.
Der beschriebene Durchgang der Reaktionsmischung zwischen den Sammel- und Verteilungsräumen
kann sich im weiteren Teil des Katalysator bettes fortsetzen, bzw. kann das heiße Reaktionsge
misch nach dem Durchgang durch den letzten Sam mel- und Verteilungsraum 32 das Katalysatorbett
verlassen, nm weiter verarbeitet zu werden.
Die kalte Reaktionsmischung wird z. B. beim zweiten Durchgang in Radialrichtung mittels der Kalt|;aszuführungl7
und des Verteilers 16 in den Raum 2
des Katalysatorbettes oder mittels der Kaltgaszuführung
20 und des Verteilers 19 in den oberen Teil des Sammel- und Verteilungsraumes 18 geführt, wo durch
Vermischen mit der warmen Reaktionsmischung diese auf die erforderliche Temperatur abgekühlt
wird.
Gleichzeitig kann die heiße Reaktionsmischung auch durch Röhrenwärmcaustauscher, durch die z. B.
kalte Reaktionsmischung fließt, indirekt gekühlt weiden.
Diese Kühlung kann in der Katalysatorschicht, to in dem Sammel- und Verteilungsraum, zwischen den
einzelnen Katalysatorbetten oder hinter dem letzten Katalysatorbett erfolgen.
Grobkörnige Katalysatorschichteii kommen dann
zur Anwendung, wenn der Katalysator so feinkörnig ist, daß er durch die Öffnungen in den Wänden der
Sammel- und Verteilungsräume herausfallen und/ oder diese verstopfen würde.
Die Zwischenschichten aus grobkörnigem Katalysator6,9,13
usw. sind jeweils mit einem Vorrats- ao behälter21 für den Katalysator versehen, der ein
selbsttätiges Auffüllen des grobkörnigen Katalysators in den Zwischenschichten 6,9,13 usw. bewirkt, falls
es während des Betriebes zu einem Zusammenschütteln kommt.
Die Vorrichtung nach der Erfindung kann bei der Durchführung von exothermen Reaktionen, und
zwar sowohl von heterogenen Reaktionen, z. B. der Ammoniaksynthese unter Anwendung des Katalysators
oder auch von homogenen Reaktionen; bei denen kein fester Katalysator benutzt wird, angewandt
werden.
In den Fig. 2a und 2b ist im Längsschnitt unc
im Querschnitt eine Vorrichtung für Ammoniaksyn these aus Wasserstoff und Stickstoff dargestellt, wo
bei jedoch in diesem Fall die Reaktionsmischung in wesentlichen in Querrichtung strömt. Die Reaktions
mischung wird dabei so geführt, daß sie aus der durch die Katalysatorschicht führenden Kühlroh
ren 23 zuerst in die Sammel- und Vcrteilungsräumt 27, die parallel zum Durchmesser des Querschnitte:
des Katalysatorbettev angeordnet sind, gelangt, au:
diesen Sammel- und Verteilungsräumen in Querrich tung in den oberen Teil des mittleren Sammel- unc
Verteilungsraumes 24 und danach in den unteren Tei dieses Sammel- und Verteilungsraumes 24 strömt
von wo der überwiegende Teil der Reaktions mischung in Querrichtung in den oberen Teil eine:
weiteren, am Umfang des Katalysatorbettes angeord rieten Sammel- und Verteilungsraumes 31 gelangt
Die Strömung der heißen Reaktionsmischung kanr in einem weiteren Abschnitt des Katalysatorbette!
fortgesetzt werden, oder die Reaktionsmischunj kann durch den letzten Sammel- und Verteilungs
laum das Katalysatorbett verlassen, um weiter vcr
arbeitet zu werden, wie es bereits erwähnt wurde.
Bei ,!en in den F i g. 1 und 2 beschriebenen Vor
richtungen ist es von großer Wichtigkeit, daß auch die Räume zwischen den Sammel- und Verteilungs
räumen mit feinkörnigem Katalysator ausgefüllt wer den. Diese Schicht ermöglicht das Zustandekommer
eines genügenden, für die Realisieiung der Radial oder Querströmung des Reaktionsgemisches durch
das Katalysatorbett notwendigen Druckgefälles.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Vorrichtung wir Durchführung exothermer (österreichische Patentschrift 181266). Strömungskatalytischer Reaktionen, insbesondere unter 5 mäßig ist es jedoch günstig, aus dem grobkörnigen
hohem Druck, mit Einrichtungen zur Radial- Katalysator eine scharf abgegrenzte, möglichst enge
oder Querstromführung der Reaktionsgase in Schicht zu bilden, die darüber hinaus zum mcchani-Komoination nut der Axialstromführung, in ab- sehen Auffangen der feineren Katalysatorteilchen
wechselndem Hin- und Hergang über die Höhe dient Aus den einleitenden Darlegungen f eht hervoc,
eines Bettes aus feinkörnigem Katalysator und ia daß der Fachmann bestrebt sein muß, den Umfang
Kaltgaszuführungen in den Strom der heißen des grobkörnigen Katalysators auf das kh.astmög-Reaktionsgase, gekennzeichnet durch an liehe Maß herabzusetzen.
den Seiten des nicht unterteilten Katalysatorbet- Es ist ebenfalls bekannt, Kaltluftverteiler vorzu-
tes (2) im Strömungswege der Reaktionsgase sehen, bei denen perforierte Hohlkörper zur KaIt-
durch perforierte Wände (4,8,14,28) begrenzte 15 luftverteilung dienen, die ebenfalls ringförmig sein
Sammel-und Verteilungsräume (3,10,15,18,24, können (französische Patentschrift 143 155). Diese
27,31,32,) und daß die Kaltgaszuführungen (17, Kaltluftverteiler sind waagerecht gerichtet Dement-
20) in perforierte Verteiler (16 bzw. 19) münden, sprechend können sie nicht für das in Axialrichtung
die peripher im Katalysatorraum (2) oder im Sam- strömende Gas angewandt werden. Bei einem strö-
melraum(25,18,31) für die Reaktionsgase ange- so menden Gas wäre die Anwendung von feinkörnigem
ordnet sind. Katalysator ausgeschlossen. Im Falle einer aus-
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich- schließlichen Axialstromführung des Gases würde
net durch innerhalb des Katalysatorbettes ange- die Katalysatorschicht einen untragbar hohen Widerordnete Sammel- und Verteilungsräume (24). stand darstellen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, ge- a.5 Es ist weiterhin bekannt, Kühlrohre aus einem
kennzeichnet durch zusätzlich im Bett des fein- System von zwei Kühlrohr-Bündeln zu bilden, von
körnigen Katalysators angeordnete Kühl- denen ein Bündel zur Führung des vorgewärmten
rohre (23). Reaktionsgemisches und das zweite zur Führung des
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekenn- kühlen Reaktionsgemisches aus dem Außenraum
zeichnet dirch im Strömungswege an den Seiten 30 dient (USA.-Paientschrift 2 538738). Eine solche
der Sammel- und Verteilungsräume (3,15,18,27, Kombination hat den Zweck, eine vollkommenere
31, 32) durch perforierte Wände (5, 12) be- Regelung der Temperaturbedingungen im Reaktor zu
grenzte Zwischenschichten (6,9,13), aus grob- ermöglichen, als dieses bei einer Vorrichtung der
körnigen Katalysator sowie oi^erhalb dieser Zwi- Fall sein könnte, die nur von einem Bündel gebildet
schenschichten (6,9,13) angeordnete Vorratsbe- 35 würde. Bei dem Betrieb von Reaktoren, in welchen
halter (21). mit feinkörnigem Katalysator und Radial- bzw.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekenn- Querstromführung der Reaktionsgase gearbeitet wird,
zeichnet durch Prallwände (26) im Sammelraum ist es vor allem entscheidend, ,-in erwünschten Orte
für die Reaktionsgase. eine rasche und intensive Temperaturänderung zu er-
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| Date | Code | Title | Description |
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| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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