DE1946741A1 - Bestueckung eines Roehrenreaktors mit Fuellkoerpern - Google Patents

Description

Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG

Unser Zeichen: 0.Z.36 355 Hd/Wü 67OO Ludwigshafen, 12. 9. fi969

Bestückung eines Röhrenreaktors mit Füllkörpern

Die Erfindung betrifft die Art land Anordnung von Füllkörpern in Röhrenreaktoren,

Rohre mit ruhenden Füllkörperschichten finden in der chemischen Technik vielfältige Anwendung besonders für thermische und/oder katalytische Reaktionen bei hohen Temperaturen. Sowohl die Materialzusammensetzung als auch die Form der Füllkörper sind äusserst vielfältig. Im wesentlichen werden Kugeln, Tabletten oder Ringe in loser Sehttttung eingesetzt.

Die Art und die Anordnung der Füllkörper beeinflussen in hohem Maße die mechanische Beanspruchung der Rohrwände und der Füllkörper selbst. Zerstörende Kräfte können auftreten, wenn bei thermischen Dehnungen der Füllkörpers chüttung die einzelnen Körper nicht ausweichen und deshalb den einwirkenden Kräften nur durch Zerfall begegnen können. Dies ist umso mehr der Fall, je länger die Rohre sind und je kleiner das Verhältnis des Rohrdurchmessers zum Füllkörperdurchmesser ist. Bei wiederholten Temperaturänderungen mit entsprechenden thermischen Dehnungen und Kontraktionen wird die ursprünglich lose Füllkörperschüttung immer dichter und die Schädigung kann über einen Zerfall der Füllkörper hinaus bis zur Zerstörung der Rohrwandung führen.

Durch das Zusammenbacken der ganz oder teilweise zerfallenen Füllkörper wird der Betrieb eines Reaktionsrohres zunächst empfindlich gestört und kann schliesslieh ganz unterbrochen werden, wenn der auftretende Druckverlust das zulässige Maß übersteigt.

Ebenso nachteilig ist bei lose geschütteten Füllschichten der schnelle Anstieg des Druokverlustes im Reaktionsrohr bereits bei relativ geringen Mengen abgeschiedenen Kohlenstoffes. Häufig zu wiederholende Regenerationsphasen beeinträchtigen die Lebensdauer der Füllkörper empfindlich. Die geschilderten ungünstigen Erscheinungen sind besonders schwerwiegend bei zyklisch arbeitenden Anlagen, bei denen oft in Abständen von wenigen Minuten die Reaktionsrohre sit den FUllkörperschiehten Temperatursprünge von einigen Hundert

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Grad C erfahren, zumal bei solchen Prozessen oft Katalysatorfüllkörper eingesetzt werden, die für den oben erwähnten Zerstörungseinfluss besonders anfällig sind. Durch Abrieb und Zerfall von Katalysatorkörpern und den dadurch erforderlichen Aufwand an Arbeitszeit und Material sowie den damit verbundenen Produktionsausfall kann sogar die Rentabilität dieser Verfahren in Frage gestellt sein·.

Es sind zahlreiche Verbesserungsvorschläge sowohl bezüglich der Art und Form der Füllkörper als auch der Anordnung dieser Körper in den Reaktionsröhren bekannt geworden, die den geschilderten Nachteilen entgegenwirken sollten. So ist z. B. bekannt, eine Anzahl von Zwischenböden vorzusehen,

P auf die jeweils eine Teilmenge der Füllkörper geschüttet ist. Die vorher geschilderten Schwierigkeiten werden damit zwar gemildert, aber nicht grundsätzlich ausgeschaltet. Ausserdem bereiten das Einbringen und das Auswechseln der Füllkörper bei diesem System beträchtliche neue Schwierigkeiten. Neben weiteren Vorsehlägen, z. B. dem Vorsehlag, die Füllkörper nicht als lose Schüttung im Rohrinnern anzuwenden, sondern als Überzug oder als Einbackung in die Rohrinnenwand unterzubringen, ist schliesslich auch bereits bekannt, die Füllkörper in Form kleiner Ringe einzeln an Stiften auf einem axialen Einsatzrohr aufzuhängen, um so bei allen Betriebs zuständen eine Verdichtung und damit mögliche Zerstörung der Füllkörperpackung und der Rohre zu unterbinden. Diese Arbeitsweise mag zwar bei relativ kurzen Rohren und bei kleineren Anlagen mit geringer Rohrzahl einen gewissen Erfolg bringen, solange nicht durch hohe Turbulenz in den Rohren die Ringe auf den

* Stiften in Bewegung geraten und dabei durch Abrieb gefährdet werden. Auf grosstechnische Rohrlängen und Rohrstüokzahlen übertragen dürften jedoch bereits die arbeitstechnisehen Nachteile, die sich aus dem Bestücken und Einfahren der mit Füllkörperringen behängten axialen Einsatzrohre ergeben, den technischen Fortsehritt dieser Arbeitsweise in Frage stellen.

Für Austauschreaktionen zwischen Gasen und Flüssigkeiten, für Reaktionen also, die bei relativ niedrigen Temperaturen» d. h. unterhalb des GlUhbereiches der eingesetzten Materialien, ablaufen, sind auch schon Füllkörper für Reaktionsräume vorgeschlagen worden, die aus mehr oder weniger kompliziert aufgebauten, waagrecht zu verlegenden Platten mit schräg nach abwärts verlaufenden Durchbrechungen bestehen. Entsprechend der Art und dem Aufbau dieser Füllkörper sind sie Jedoch nicht für Hoohtemperaturreaktionen in thermischen Reaktionsrohren verwendbar, da sie in horizontaler Richtung aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt werden. Auch aus dem Vor-

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schlag, diese Füllkörper mit Graten, Wulsten oder Rinnen zu versehen, um die herabrieselnde Flüssigkeit zu zusätzlicher Tropfenbildung zu verahlassen, um eine definierte Neigung der Durchbrechungen zur Behälterachse einzuhalten, geht hervor, dass sie nur für Austauschreaktionen zwischen Gasen und Flüssigkeiten geeignet sLnd. Würde man Platten dieser Art als Stapel in thermischen Reaktionsrohren, z. B. zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit Dampf, einsetzen, so wurden die abgeschrägten Seitenbegrenzungen den Wärmeübergang von der Rohrwand auf das durchströmende Gas verschlechtern und die Neigung zu Verkokungen begünstigen. Durch die vorgeschlagenen, auf den waagerechten Aussenflächen der Füllkörper anzubringenden Randwülste oder ähnliche Erhöhungen würde der horizontale Austausch des im Rohr strömenden Gases mit der wärmeabgebenden Rohrwand behindert und damit die Wärmeübertragung erheblich verschlechtert. Gegenüber den üblicherweise angewandten Füllkörpern in Form loser Schüttungen lassen die vorgeschlagenen Platten keinen Fortschritt erkennen.

Es wurde nun gefunden, dass man die vorstehend geschilderten Nachteile bei der Durchführung von Umsetzungen in Röhrenreaktoren vermeiden kann, wenn die Bestückung der Rohre des Reaktors mit Füllkörpern aus in den Rohren axial verschiebbar angeordneten Tragholmen besteht, auf denen in geringen Abständen voneinander Lochplatten mit in Strömungsrichtung im Reaktor verlaufenden Bohrungen lose aufgereiht sind.

Die zwecks Aufreihung auf dem Tragholm mit einer axialen Bohrung versehenen Lochplatten können in vorteilhafter Weise aus an sich bekanntem keramischen Material in Wabenstruktur bestehen. Die Lochgrösse, gemessen als Abstand zweier gegenüberliegender Wände einer Wabenzelle, kann zwischen 3 und 20 mm, vorteilhaft 5 bis 10 mm, betragen.

Zweckmässig werden die Lochplatten mit Hilfe von Auflage^ingen, die gleichzeitig Distanzhalter sind oder mit solchen kombiniert sind, so auf den Tragholm aufgereiht, dass ihr senkrechter Abstand voneinander 2 bis 10 mm beträgt.

Es ist aber auch möglich, einen Zwischenraum zwischen den Platten in der Weise zu erzeugen, dass die Loehplätten aus in ihrem unteren Teil konisch gestalteten Zylindern bestehen. Die Dicke der Platten ist damit in der Achse und damit an der Auflagestelle grosser als am Rand.

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Der Plattenstapel mit seiner den Reaktionsrohren angepassten Länge kann mit einfachen Vorrichtungen, z. B. mit Hilfe von Auslegern entweder von oben oder von unten in die Reaktionsrohre eingefahren werden. Auf diese Weise lassen sich auch Reaktionsrohre technisch üblicher Länge in beliebigen Stückzahlen einfach und schnell mit definierten Packungen von Füllkörpern versehen.

Die axialen Halterohre (Traghol'me) für die Lochplatten können für Messzwecke Thermoelemente aufnehmen und werden dann zur besseren Umspülung der Elemente mit Reaktionsgut zweckmässigerweise auf die gesamte Länge mit Löchern versehen.

Für die Anwendung der erfindungsgemässen Füllkörperanordnung zur Herstellung von Brenn- und Synthesegasen können auf die Lochplatten katalytisch wirkende Bestandteile, z. B. Nickelsalze, gegebenenfalls zusammen mit Promotoren oder Aktivatoren, entweder durch Tränken der einzelnen, vorgefertigten Lochplatten mit diesen Salzen und anschliessende Zersetzung derselben oder durch Einarbeiten der Katalysatorbestandteile in das Grundmaterial der Lochplatten vor deren Fertigung aufgebracht werden. Als Trägermaterial eignen sich besonders AlpCL, vornehmlich als oC-klJD-,, sowie andere hochfeuerfeste Metalloxide und deren Mischungen, wie MgO oder Aluminiumsilikate.

Die erfindungsgemässe Anordnung von Füllkörpern für Reaktionsrohre führt zu einem einheitlichen Strömungsverlauf des Reaktionsgutes mit hoher Durchsatzleistung bei geringem Druckverlust. Besonders bei Reaktionen bei hohen Temperaturen wie thermisch-katalytischen Spaltverfahren bleiben die Strömungsverhältnisse auch bei Schrumpfung und Dehnung des Materials infolge von Temperaturveränderungen unbeeinflusst; das Material der wärmeübertragenden Rohrwände kann ohne Gefahr durch mechanische Beanspruchung der Füllkörper bis an die Grenze der thermischen Belastbarkeit ausgenutzt werden. Wesentlich ist, dass jede einzelne Lochplatte durch die Art der Anordnung in einer vorgegebenen Lage gehalten wird und hinreichenden Spielraum für thermische te Bewegungen erhält, so dass der Mantel des Reaktionsrohres frei bleibt von , ^j mechanischen Beanspruchungen, die von den Füllkörpern ausgehen. Dadurch ^r~ werden aussergewähnlich lange Betriebszeiten bei konstanten Umsatzverhält- <**

nissen erreicht. co

Die erfindungsgemässe Anordnung von Füllkörpern eignet sich besonders auch *~ zur Durchführung kontinuierlicher Hochtemperaturreaktionen unter erhöhtem

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Druck, ζ. B. bei RohrinnendrUcken von 2 bis 40 ata.

Der Erfindungsgedanke ist nachstehend an Hand der Figuren beispielsweise näher erläutert.

Figur la zeigt einen als Füllkörper dienenden Stapel von runden Lochplatten 1 mit ebener Oberseite und konischer Bodenfläche. Die Lochplatten sind, auf einem Tragholm 2 übereinander aufgereiht, in einem Röhrenofen 3 untergebracht.
In Figur Ib ist eine Lochplatte 1 in der Aufsicht dargestellt.

Figur 2a zeigt einen als Füllkörper dienenden Stapel von beidseitig ebenen runden Wabenplatten 4, die mit Distanz- und AuflagehüTsen 5 auf einem Tragholm 2 in einem Röhrenofen 3 untergebracht sind. Figur 2b zeigt eine Wabenplatte in der Aufsicht und Figur 2b gibt eine Distanz- und Auflagehülse wieder.

Figur 3a zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Doppelrohrofen 6, in dem ein als Füllkörper dienender Stapel von beidseitig ebenen kreisringförmigen Wabenplatten 7 unter Zwischenschaltung von Distanz- und Auflagehülsen 8 auf drei im .Dreieck angeordneten Tragho.lmen 9 angeordnet ist.

In Figur 3b ist eine kreisringförmige Wabenplatte 7 in der Aufsicht dargestellt.

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Claims (5)

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1. Bestückung eines Röhrenreaktors mit Filikörpern, gekennzeichnet durch in den Röhren axial verschiebbar angeordnete Tragholme, auf denen in geringen Abständen voneinander Lochplatten mit in Strömungsrichtung im Reaktor verlaufenden Bohrungen lose aufgereiht sind.

2. Bestückung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatten aus wabenartig durchbrochenen Zylindern aus keramischem Material bestehen.

3· Bestückung gemäss Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatten unter Zwischenschaltung von Auflageringen, die gleichzeitig Distanzhalter sind oder mit solchen kombiniert sind, auf den Tragholiren aufgereiht sind.

4. Bestückung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatten aus in ihrem unteren Teil konisch gestalteten Zylindern bestehen.

5. Bestückung gemäss Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochplatten aus hochfeuerfestem Material bestehen, auf das Katalysatorsubstanzen durch Tränken oder durch Einarbeiten in die Grundmasse aufgebracht sind.

Zelehn. Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG

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