DE1914246B1

DE1914246B1 - Hochdruckreaktor fuer exotherme katalytische Gasreaktionen

Info

Publication number: DE1914246B1
Application number: DE19691914246
Authority: DE
Inventors: Klingst Dr Anna; Hinrichs Dr Helmut; Niedetzky Dipl-Ing Johann
Original assignee: Lentia Chem und Pharm Erz GmbH
Current assignee: Lentia Chem und Pharm Erz GmbH
Priority date: 1969-03-20
Filing date: 1969-03-20
Publication date: 1970-09-03

Description

Die Erfindung betrifft eine neue Vorrichtung zur Gasführung bei katalytischen Hochdruckreaktionen, beispielsweise bei der Ammoniaksynthese unter Druck.
Bei katalytischen Hochdruckreaktionen ist es nicht nur von Bedeutung, die Temperatur in den Kontaktschichten dem jeweiligen- Optimum anzupassen, sondern auch den konstruktiv teuren Innenraum des Hochdruckreaktors möglichst günstig auszunutzen und den Druckverlust im Reaktor klein zu halten.
Da axial durchströmte Katalysatorschichten einen verhältnismäßig hohen Druckverlust bewirken und dies besonders störend ist, wenn eine kleine Katalysatorkörnung wegen der beispielsweise besseren WH3-Ausbeute gewählt wird, hat man auch Reaktoren konstruiert, in denen die Katalysatorschichten senkrecht zur Reaktorachse durchströmt werden, wobei die Wärmetauscher nicht zwischen den einzelnen Katalysatorlagen angeordnet sind, sondern als parallel zur Reaktorachse .durchgehende. Rohrbündel konstruiert sind und in zwei segmentartigen peripheren Kühlschächten diametral gegenüber angeordnet sind.
Ein solcher Reaktor wird z. B. in der deutschen Auslegeschrift 1 254 604 beschrieben.
Der Vorteil der Reaktoren mit quer durchströmten Katalysatorschichten liegt im niedrigen Druckverlust.
Dies ermöglicht auch den Einsatz von Katalysatoren kleiner Körnung. Dadurch können größere NH3-Ausbeuten erzielt werden, als es bisher möglich war.
Beim Betrieb von Reaktoren mit quer durchströmten Katalysatorschichten zeigte es sich jedoch, daß Schwierigkeiten durch Setzung des Katalysators auftreten. Es bilden sich dann Kurzschlußwege, die damit eine gleichmäßige Gasströmung durch die Katalysatoriagen verhindern, da- das Gas den'Weg des' geringsten Widerstandes wählt. Um diese Kurzschlüsse zu vermeiden, hat man in die Katalysatorschichten Ringbleche eingehängt, damit bei Setzung des Katalysators die Bleche den Gas durchgang verhindern. Dies bedeutet aber einen Verzicht auf wertvollen Reaktorraum, weil durch die Ringbleche ein Teil der Katalysatorschicht für die Gasströmung stillgelegt wird.
Zweck der.Erfindung ist eine Verringerung der genannten Mängel, wobei die optimale - Ausnutzungdes umbauten Druckraumes im Vordergrund steht; in zweiter Linie folgt die Verminderung des Druckverlustes und ein Vermeiden von Schwierigkeiten bei Setzung des Katalysators.
Es konnte nämlich gefunden werden, daß durch eine annähernd wendelförmige Gasführung durch den Ofen von oben nach unten eine bes-onders günstige -Ausnutzung des Réaktionsraumes, verbunden mit geringem Druckverlust, zu erreichen ist.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Hochdruckreaktor für exotherme katalytische Gasreaktionen, insbesondere für die ..Ammoniaksynth,ese, mit einem innerhalb des Druckmantels angeordneten zylindrischen Ofeneinsatzmantel, in welchem einzelne gasdicht voneinander getrennte Katalysatorlagen angeordnet sind, wobei die Katalysatorsäule nach einer axialen Ebene längsgetrennt ist und der Ofeneinsatzmantel zwei einander diametral gegenüberstehende peripher angeordnete segmentförmige Kühlschächte mit Umlenkblechen aufweist, die von der Katalysatorsäule unter Zwischenschaltung von Abdeckblechen durch gasdurchlässige Wände getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Längstrennung der Katalysatorsäule durch eine unterhalb der obersten Katalysatorlage gas dicht ausgebildete Trennwand (5) erfolgt, wobei die so gebildeten symmetrischen Hälften durch - sch-Hågliegende gasdlcnte Sbhikän-ebleche (6) derart in einzelne Katalysatorräume unterteilt sind, daß jeweils ein Schikaneblech in der einen Säulenhälfte in derselben Höhe endet, in der in der anderen Säulenhälfte der Fußpunkt eines Schikanebleches liegt.
Die Verbesserung läßt sich mit jeder der an sich bekannten Kühlungsarten kombinieren. Bei Kaltgaszumischung in die Kühlschachtabschnitte oder Kühlung durch fremde Kühlmittel muß das vorgewärmte Gas durch ein Zentralrohr, das mit dem Zwischenrohrraum des Hauptwärmetauschers verbunden ist, in der Mitte des Einsatzes hochgeführt werden.
Wird die Kühlung mit im Hauptwärmetauscher vorgewärmtem Frischgas durchgeführt, so erübrigt sich ein Zentralrohr, denn das Gas wird in Rohren, die in den Kühl schächten (3) liegen, hochgeführt.
Die gasdichte Trennung der einzelnen Mischkammerabschnitte wird durch Doppelrohrböden bewirkt, so daß in jedem Abschnitt nach Bedarf eine verschiedene Anzahl von Rohren (=Wärmetauschflächen) untergebracht werden kann.
Die an sich bekannte und übliche elektrische Heizeinrichtung zum Anfahren kann im obersten Abschnitt der Kühlschächte in Höhe des ersten Kontaktschusses oder bei den Varianten mit Kaltgaszumischung oder Fremdkühlung im :oberen Teil des Zentralrohres angebracht werden.
Vor dem Eintritt in die nächste Kontaktschicht ist die Hömogenisierung durch eine Mischkammer sicherzustellen, da das Rohrbündel einen Kreuzstromwärmetauscher mit seinem zwangläufig inhomogenen Temperaturprofil im Ausgang bildet. Diese Mischkammer ist unten durch einen Schlitz mit dem Kühischachtabschnitt verbunden.
Die Eigenart der Vorrichtung läßt es zu, daß der Reaktor in allen seinen Varianten auch in waagerechter Stellung betrieben werden kann, ohne daß Störungen auftreten.
Eine mögliche Ausführungsfqrm einer Vorrichtung, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, zeigt F- i g. 1 im Längs- und Fig. 2 im Querschnitt: -1 ist der Ofeneinsatzmantel, 2 der Hauptwärmetauscher, 3 die Kühlschächte mit den darin liegenden Rohrbündeln 4, 5 die mittlere Trennwand, 6 die Schikanebleche, 7 die gasdurchlässigen Trennwände gegen die Kühlschächte, 8 die Umlenkbleche in den Kühlschächten und 9 die Abdeckbleche der Mischkammer 10. Die Kühlschachtabschnitte 3 sind mit der Mischkammer 10 am unteren Ende durch einen Schlitz verbunden. 11 sind die segmentförmigen Rohrböden, die die einzelnen Kühlschachtabschnitte gasdicht voneinander trennen.
Oberhalb des obersten Rohrbodens 11 ist die Trennwand 7 gasdicht aflsgebildet ufld dient der Umlenkung des die Rohrbündel 4 verlassenden Frischgases in die oberste Katalysatorschicht.
Um Totwasserzonen zu vermeiden, ist die mittlere Trennwand im Bereich des obersten Kontaktraumes gasdurchlässig, z. B. als Loch- oder Schlitzblech ausgebildet oder auch ganz weggelassen. Die Gasführung ist durch Pfeile angedeutet. Durch verschieden steile Neigung der Schikanebleche 6 kann das Volumen der einzelnen Katalysatorräume den Bedürfnissen, etwa den Ergebnissen einer Optimierungsrechnung, angepaßt werden.
Die Ausführungsform mit Zentralbohrer zeigt F i g. 3 im Längs- und F i g. 4 im Querschnitt: 12 ist das Zentralrohr zum Hochführen des Gases; in den Kühlschächten sind Einleitungsrohre für kaltes Frischgas angeordnet.
Wird für eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein fremdes Kühlmittel zur Kühlung eingesetzt, so ist ebenfalls eine Ausführung mit Zentralrohr nach F i g. 3 zu wählen, wobei in den Kühlschächten3 Rohrbündel verlaufen, die mit fremdem Kühlmittel, vorzugsweise Wasser oder Wasserdampf beschickt sind.
Beispiel In einen Ammoniaksynthesereaktoreinsatz, wie in Fig. 1 dargestellt, mit sechs Kontaktschüssen und 700 mm Durchmesser treten 72000 Nm2/h Synthesegas stöchiometrischer Zusammensetzung mit 1,5 01o NH3 und 5,4°/0 Inerten bei 310atom und 400"C ein.
Das Alter des Kontaktes beträgt 3 Jahre, seine Körnung 8.. 12 mm; der Verschmutzungsgrad der Wärmetauscher (»fouling facto«) 0,0015. Der gesamte Einsatz enthält 3,32 m3 Synthesekontakt und ohne den Hauptwärmetauscher 37,4 m2 Wärmetauschflächen, bestehend aus 78 Rohren von 111, mm Durchmesser. Der Hauptwärmetauscher hatte eine Fläche von 35,4 m2. Nach dem Durchgang durch die oberste Kontaktschicht werden im Kühlschacht dem Gasstrom noch 5000Nm3/h kaltes Synthesegas mit 24"C zugemischt. Das aus dem sechsten Kontaktschuß austretende Gasgemisch besteht aus 62 200 Nm3ih Gas mit 17,40/,NH, und einer Temperatur von 464"C.
Djr gesamte Druckabfall in den Katalysatorbetten beträgt nur 1,6 atm. Nach dem Verlassen des Hauptwärmetauschers hat das Gas eine Temperatur von 3090C.

Claims

Patentanspruch:

Hochdruckreaktor für exotherme katalytische Gasreaktionen, insbesondere für die Amoniaksynthese, mit einem innerhalb des Druckmantels angeordneten zylindrischen Ofeneinsatzmantel, in welchem einzelne gasdicht voneinander getrennte Katalysatorlagen angeordnet sind, wobei die Katalysatorsäule nach einer axialen Ebene längsgetrennt ist und der Ofeneinsatzmantel zwei einander diametral gegenüberstehende peripher angeordnete segmentförmige Kühlschächte mit Umlenkblechen aufweist, die von der Katalysatorsäule unter Zwischenschaltung von Abdeckblechen durch gasdurchlässige Wände getrennt sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Längstrennung der Katalysatorsäule durch eine unterhalb der obersten Katalysatorlage gasdicht ausgebildete Trennwand (5) erfolgt, wobei die so gebildeten symmetrischen Hälften durch schrägliegende gasdichte Schikanebleche (6) derart in einzelne Katalysatorräume unterteilt sind, daß jeweils ein Schikaneblech in der einen Säulenhälfte in derselben Höhe endet, in der in der anderen Säulenhälfte der Fußpunkt eines Schikanebleches liege