DE19600549A1 - Reaktor - Google Patents

Reaktor

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Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor, der im wesentlichen zylindersymmetrisch um eine im wesentlichen vertikal verlaufende Achse aufgebaut ist und einen Mantel und innerhalb des Mantels ein ringförmiges Bett aufweist, welches mit rieselfähigem Material gefüllt ist und durch einen inneren und einen äußeren Korb begrenzt ist, wobei mindestens ein erster der beiden Körbe im Bereich des ringförmigen Betts in radialer Richtung starr und in axialer Richtung dehnbar ist, sowie eine Verwendung eines derartigen Reaktors.
Für derartige Reaktoren besteht ein weiter Anwendungsbereich. Sie können für die verschiedensten chemischen oder physikalischen Reaktionen zwischen einem Gas und einem aktiven Material, welches in rieselfähiger, granularer Form vorliegt, eingesetzt werden. Das aktive Material kann beispielsweise ein Adsorbens oder ein Katalysator sein. Der Reaktor kann eine oder mehrere Arten von aktivem Material in einem oder in mehr als einem Bett enthalten.
Ein Reaktor der eingangs genannten Art ist aus der EP-A-0 402 783 bekannt. Die Körbe eines derartigen Reaktors, die die Außenseiten eines Bettes begrenzen, müssen in der Regel radial starr sein, um eine radiale Verformung des Bettes zu verhindern. Dies ist in der EP-A- 0 402 783 durch Bleche mit einem bestimmten Lochmuster realisiert. Um die notwendige Starrheit zu erreichen, müssen diese Bleche jedoch eine große Stärke aufweisen. Damit sind ein entsprechend hoher Materialaufwand, ein hohes Gewicht und damit hoher Aufwand für die Stabilität des gesamten Reaktorbehälters erforderlich. Dies resultiert insgesamt in relativ hohen Herstellungskosten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor der eingangs genannten Art anzugeben, der besonders kostengünstig hergestellt werden kann, aber trotzdem eine hohe Formstabilität der Betten aufweist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der erste Korb ein Grundmaterial aufweist, das sowohl axial als auch radial dehnbar ausgebildet und das mit einem radial starren Stützmittel verbunden ist. (Die Begriffe "radial" und "axial" beziehen sich in dieser Anmeldung immer auf die Reaktorachse.)
Die beiden Funktionen des Korbes - Zurückhalten des rieselfähigen Materials und Formstabilität des Bettes - werden gemäß der Erfindung getrennt. Das Grundmaterial dient lediglich dazu, das Herausfließen des Materials zu verhindern. Die radiale Stabilität wird im Rahmen der Erfindung durch ein eigenes Stützmittel gewährleistet. Das Stützmittel muß nach wie vor relativ hohe Materialstärke haben, braucht aber nicht notwendigerweise die gesamte axiale Länge des Korbes zu überdecken. Damit kann im Rahmen der Erfindung Material und Gewicht gespart werden.
Die Verringerung der Masse eines Korbes bewirkt außerdem eine Verminderung der seiner thermischen Trägheit, das heißt der Reaktor reagiert insgesamt schneller auf Temperaturänderungen. Im Fall eines Adsorbers bildet sich dadurch insbesondere weniger Kondensat beim Umschalten vom Adsorbieren zum Regenerieren.
Die relativ geringe Stärke des Grundmaterials erleichtert dessen Bearbeitung, beispielsweise das Stanzen von Öffnungen. Die Öffnungen für das Reaktionsgas können kleiner dimensioniert werden, so daß gegebenenfalls auf ein zusätzliches feinmaschiges Rückhaltemittel für das rieselfähige Material verzichtet werden kann.
Das Grundmaterial kann beispielsweise aus einem Drahtgitter oder ähnlichem bestehen; vorzugsweise ist es jedoch folienartig ausgebildet. Im allgemeinen kommt gelochtes Metallblech zum Einsatz. Ein besonders bevorzugtes folienartiges Material weist Langlöcher auf, wobei ein Teil der Langlöcher radial und ein anderer Teil der Langlöcher axial ausgerichtet ist.
Es ist besonders günstig, wenn das Stützmittel mehrere radial starre Stützringe aufweist, die entlang der Achse des Reaktors angeordnet und mit dem Grundmaterial verbunden sind. Die axiale Ausdehnung der Stützringe beträgt beispielsweise 5 bis 20 mm, vorzugsweise 8 bis 12 mm. Ihr axialer Abstand beträgt beispielsweise 200 bis 1500 mm, vorzugsweise 500 bis 800 mm. Über die gesamte Höhe des Reaktors sind etwa 10 bis 20, vorzugsweise etwa 15 Stützringe angeordnet. Die Materialstärke der Stützringe wird je nach Größe des Reaktors und Gewicht des Bettes festgelegt. Die Stützringe werden auf der der Schüttung aus rieselfähigem Material abgewandten Seite des Grundmaterials an einzelnen Punkten angeheftet (beispielsweise durch Schweißung).
In der EP-A-0 402 783 wird ausführlich das Verhalten des Reaktors und der Körbe beim Umschalten des Reaktors beispielsweise zwischen verschiedenen Betriebsphasen beschrieben, beispielsweise zwischen Adsorptions- und Regenerierphase, falls der Reaktor als Adsorber eingesetzt wird. Problematisch sind hier insbesondere relativ kurzzeitige Temperaturschwankungen, beispielsweise von 200 K innerhalb von weniger als 60 s. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es günstig, wenn das Grundmaterial und das Stützmittel im wesentlichen denselben oder denselben Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen. Mit im wesentlichen gleich ist hier eine Abweichung von weniger als 20% gemeint.
Im Rahmen der Entwicklung der Erfindung hat es sich jedoch herausgestellt, daß es insbesondere bei einem besonders massiven Stützmittel günstig ist, dieses so auszubilden, daß das Stützmittel einen geringeren Temperaturausdehnungskoeffizienten als das Grundmaterial aufweist.
Die Erfindung kann auf kostengünstige Weise bei Reaktoren mit mehreren ringförmigen Betten angewandt werden, indem die zwei Betten durch einen Zwischenkorb voneinander getrennt sind, der im Bereich der Betten axial und radial dehnbar ausgebildet ist und aus demselben Grundmaterial wie der erste Korb aufgebaut ist. Damit kann dasselbe Grundmaterial für alle Körbe eingesetzt werden; nur dort, wo es nötig ist, (in der Regel beim äußersten und beim innersten Korb) wird es durch Stützmittel ergänzt.
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Reaktor so ausgebildet, daß das oder die ringförmigen Betten von dem Reaktionsmedium in im wesentlichen radialer Richtung durchströmt werden.
Der Reaktor wird beispielsweise als Molsiebadsorber zur Reinigung von Luft eingesetzt, die als Einsatzgas in einer Tieftemperaturzerlegungsanlage verwendet wird.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel in stark vereinfachter Schnittdarstellung und
Fig. 2 das Grundmaterial eines Korbs im Detail.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors mit seinen wesentlichen Merkmalen. Die Darstellung ist der Einfachheit halber sehr schematisch ausgeführt, insbesondere entsprechen die Verhältnisse zwischen den äußeren Abmessungen des Reaktors und den Materialdicken nicht den wirklichen Maßen.
Der Reaktor ist im wesentlichen zylindersymmetrisch um die Achse 1 aufgebaut. Er wird nach außen begrenzt durch einen Mantel 2, welcher eine obere Kalotte 7 und eine untere Kalotte 8 mit Eintritts- 10 und Austrittsöffnungen 9 für zu reinigendes Gas aufweist. Die obere Kalotte 7 ist außerdem durch Stutzen 11 zum Einfüllen und Absaugen von rieselfähigem Material durchbrochen.
Im Inneren des Reaktors sind zwei ringförmige Adsorptionsbetten 3A, 3B konzentrisch angeordnet. Sie sind durch drei zylindermantelförmige Körbe begrenzt, einen äußeren 5, einen inneren 4 und einen Zwischenkorb 20. Die Betten 3A, 3B werden nach unten hin durch einen Boden 6 abgeschlossen, welcher über sternförmig angeordnete Rippen (nicht dargestellt) starr an der unteren Kalotte 8 des Mantels 2 befestigt ist. Der innere Korb 4 und der Zwischenkorb 20 sind an ihrem unteren Ende starr mit dem Boden 6 verbunden. Sie stützen sich ebenfalls über die sternförmig angeordneten Rippen auf der unteren Kalotte 8 des Mantels 2 ab. Der äußere Korb 5 steht auf der unteren Kalotte 8 auf, ist mit dieser verschweißt und damit starr mit dem Mantel 2 verbunden.
Die Körbe 4, 5, 20 bestehen zum großen Teil beziehungsweise vollständig aus einem Grundmaterial, das den zylindermantelförmigen Teil des jeweiligen Korbes bildet. Das Grundmaterial ist aus gelochtem Blech gefertigt; lediglich an den Enden wird teilweise auch ungelochtes Blech verwendet (in Fig. 1 schwarz gefärbt).
Der innere Korb 4 weist außer dem Grundmaterial Stützringe 13 (Anzahl in dem Beispiel: neun) auf, die axialsymmetrisch angeordnet sind. Ähnlich ist der äußere Korb 5 aufgebaut, die Anzahl der Stützringe 14 kann jedoch niedriger sein (in dem Beispiel: vier). Die Stützringe haben in dem Ausführungsbeispiel eine axiale Ausdehnung von 5 bis 20 mm, vorzugsweise etwa 10 mm. Ihr - im allgemeinen regelmäßiger - axialer Abstand beträgt:
innen (13): 200 mm bis 1500 mm, vorzugsweise etwa 700 mm
außen (14): 500 mm bis 4000 mm, vorzugsweise etwa 2000 mm
Innerhalb der Betten 3A, 3B befindet sich eine Schüttung aus rieselfähigem Material. In der konkreten Verwendung des Reaktors handelt sich es um adsorptives Material in Form von Granulat mit einer Teilchengröße von 1,5 bis 4 mm, von Kugeln mit einem Durchmesser von 1,6 bis 4 mm, vorzugsweise 2,3 mm oder von Extrudaten von 1/16′′ bis 1/8′′, vorzugsweise 1/16′′ Korngröße. Ebensogut könnte ein rieselfähiger Katalysator eingefüllt sein.
Die Strömungsrichtung des zu reinigenden Gases wird in Fig. 1 durch Pfeile mit durchgezogenen Linien angedeutet (Reaktions- bzw. Adsorptionsphase). Dabei strömt das zu reinigende Gas, beispielsweise Luft, über die Einlaßöffnung 10 in den Reaktor ein und wird durch die Unterseite des Bodens 6 umgelenkt. Dabei wird tropfbares Wasser abgeschieden. Anschließend wird das zu reinigende Gas in den äußeren Ringraum 15 zwischen Mantel 2 und äußerem Korb 5 geleitet. Von dort strömt das zu reinigende Gas mit einer radialen Komponente durch die Adsorptionsbetten 3A, 3B in den inneren Ringraum 16. Dieser wird außer durch den inneren Korb 4 auch durch einen aus Kegelstümpfen aufgebauten Verdrängungskörper begrenzt, der den Querschnitt des inneren Ringraumes 16 verringert (in Fig. 1 nicht dargestellt). Dadurch wird eine annähernd gleichmäßige Stromdichte des zu reinigenden Gases in den Betten 3A, 3B weitgehend unabhängig von der axialen Koordinate gewährleistet. Zwischen dem inneren Korb 4 und dem Verdrängungskörper 17 ist im Bedarfsfall ein Staubsieb vorgesehen. (Der Verdrängungskörper und das Staubsieb sind in EP-A-0 402 783 dargestellt.)
Falls bei der Reaktion eine Regenerierung notwendig ist, wird während der Regenerierphase ein Regeneriergas, beispielsweise Stickstoff, in umgekehrter Richtung geführt (gestrichelte Pfeile in Fig. 1).
Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung enthält lediglich ein Bett aus aktiven Teilchen; sie unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten im wesentlichen dadurch, daß der Zwischenkorb 20 fehlt.
Die bevorzugte Form des Grundmaterials 21 aus folienartigem Material, insbesondere Metallblech ist in Fig. 2 dargestellt. Die wechselweise axiale (vertikal in der Zeichnung) und tangentiale (horizontal in der Zeichnung) Anordnung von Langlöchern vorzugsweise gleicher Form bewirkt eine elastische Verformbarkeit des Materials sowohl in radialer wie in axialer Richtung. Das Grundmaterial ist also in beide Richtungen elastisch dehnbar und nicht starr, wobei die Dehnbarkeit in axialer Richtung höher ist als in radialer Richtung, da doppelt so viele Löcher tangential wie axial ausgerichtet sind.
Die Lochmaße betragen in einem ersten Beispiel
Länge a = 30 mm
Breite b = 6 mm.
Die axialen Abstände zwischen den Löchern sind
x₁ = 6 mm (zwischen zwei paarweise gruppierten tangentialen Löchern 23a, 23b)
x₂ = 6 mm (zwischen einem tangentialen Loch 23a und einem axialen Loch 24), die radialen Abstände
y = 6 mm
Die axiale Periode beträgt damit 30 mm, die tangentiale Periode 48 mm. Die dem Bett zugewandte Oberfläche des Grundmaterials ist im ersten Beispiel mit einem Feinmaschnetz bedeckt, das die Teilchen des rieselfähigen Materials zurückhält. Dessen Maschenweite ist der Teilchengröße angepaßt und beträgt beispielsweise effektiv 0,4 mm. Eine derartige Maschenweite kann zum Beispiel durch eine Drahtstärke von 0,4 mm und einen Abstand der benachbarten Drähte (Maschenabstand) von 0,8×0,8 mm realisiert werden.
Auch andere Lochmaße können verwendet werden, wenn sie untereinander im selben Verhältnis stehen wie die im obigen Beispiel angegebenen Maße, wobei b=x1=x2=y und a=5·b gilt.
In einem zweiten Beispiel werden geringere Abmessungen verwendet; in diesem Fall kann auf ein Feinmaschnetz zur Rückhaltung des Schüttguts verzichtet werden:
a = 10 mm
b = 2 mm
x₁ = 2 mm
x₂ = 2 mm
y = 2 mm
In Fig. 2 sind eine axiale Schweißnaht (Längsnaht 25) und eine tangentiale Schweißnaht (Rundnaht 26) gezeigt, die verschiedene ursprünglich ebene Teile 27a, 27b, 27c, 27d des Grundmaterials zusammenhalten.
An der Rundnaht 26 sind die Abstände innerhalb eines Paares von tangentialen Löchern 28a, 28b etwas größer als sonst (x₃ = 8 mm im ersten Beispiel). Nach der Ausführung der Schweißung wird die Naht 26 an der Stelle 29 unterbrochen, um ein durchgehendes axiales Langloch herzustellen. Damit wird das Grundmaterial auch an der Stelle einer Rundnaht radial dehnbar (elastisch).
An den axialen Kanten (Längsnaht 25) der Teile 27a, 27b des Grundmaterials sind anstelle der Langlöcher zunächst nur Rundlöcher 30a, 30b, 31a, 31b vorgesehen. Nach Herstellung der Schweißnaht 25 werden diese über die Naht hinweg paarweise 30a, 31a, 30b, 31b miteinander verbunden, um auch an dieser Stelle die axiale Dehnbarkeit zu gewährleisten.
Das Grundmaterial weist vorzugsweise einen linearen Temperaturausdehnungskoeffizienten α von 1,1 bis 1,5·10-5/K auf.

Claims (9)

1. Reaktor, der im wesentlichen zylindersymmetrisch um eine im wesentlichen vertikal verlaufende Achse (1) aufgebaut ist und einen Mantel (2) und innerhalb des Mantels (2) ein ringförmiges Bett (3A; 3B) aufweist, welches mit rieselfähigem Material gefüllt ist und durch einen inneren (4; 20) und einen äußeren (5; 20) Korb begrenzt ist, wobei mindestens ein erster der beiden Körbe (4, 5) im Bereich des ringförmigen Betts (3A; 3B) in radialer Richtung starr und in axialer Richtung dehnbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Korb (4, 5) ein Grundmaterial (21) aufweist, das sowohl axial als auch radial dehnbar ausgebildet und das mit einem radial starren Stützmittel verbunden ist.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial folienartig ausgebildet ist.
3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das folienartige Material Langlöcher aufweist, wobei ein Teil der Langlöcher radial und ein anderer Teil der Langlöcher axial ausgerichtet ist.
4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützmittel mehrere radial starre Stützringe aufweist, die entlang der Achse (1) angeordnet sind.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial und das Stützmittel im wesentlichen denselben oder denselben Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützmittel einen geringeren Temperaturausdehnungskoeffizienten als das Grundmaterial aufweist.
7. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens zwei ringförmige Betten (3A, 3B), die mit rieselfähigem Material gefüllt sind, wobei die beiden Betten durch einen Zwischenkorb (20) voneinander getrennt sind, der im Bereich der Betten (3A, 3B) axial und radial dehnbar ausgebildet ist und aus demselben Grundmaterial wie der erste Korb (4; 5) aufgebaut ist.
8. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er so ausgebildet ist, daß das oder die ringförmigen Betten von dem Reaktionsmedium in im wesentlichen radialer Richtung durchströmt werden.
9. Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Molsiebadsorber zur Reinigung von Luft.
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