DE2025486A1 - - Google Patents

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DE2025486A1 DE19702025486 DE2025486A DE2025486A1 DE 2025486 A1 DE2025486 A1 DE 2025486A1 DE 19702025486 DE19702025486 DE 19702025486 DE 2025486 A DE2025486 A DE 2025486A DE 2025486 A1 DE2025486 A1 DE 2025486A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktor für katalytische Gasreaktionen, insbesondere für Synthese von Methanol und Ammoniak.
Der große derzeitige Produktionsbedarf an Methanol und Ammoniak führte zur Entwicklung großer Einzelstromanlager., da festgestellt wurde, daß die Kapitalkosten pro Tonne Erzeug nis um 30 kleiner 3ind, jed größer der Durchsatz int. Dementsprechend mußten die einzelnen Kessel, insbesondere die .r3.yntheaereaktoren solcher Anlagen, die für botrieb bei mittleren Drücken ausgelegt oind, oehr groß gemacht, worden; hier lurch
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ergaben sich Probleme, die bei den bisher benutzten kleineren* Anlagen, die bei höheren Drücken arbeiten, nicht angetroffen wurden. Eines dieser Probleme ergibt sich daraus, daß es für die Druckkesselhersteller schwierig ist, zufriedenstellende sehr große Synthesereaktoren zu fertigen. Zur Erzielung des notwendigen Volumens kann der Reaktor größeren Durchmesser und mäßige Länge haben; jedoch sind die jetzt erforderlichen Durchmesser für die maschinellen Anlagen vieler Hersteller* zu groß, insbesondere, wenn ein Vollochverschluß erforderlich ist. Alternativ kann der Reaktor normalen Durchmesser aber stark erhöhte Länge besitzen: wenn in diesem Fall jedoch die Syr.thcsegase axial durch den Reaktor gehen, ist die Länge des Katalysatorbebts derart, daß sich ein hoher Druckabfall ergibt, der unannehmbar ist, da dann für den Betrieb der Anlage eine sehr hohe Pump- und Kompressionsenergie notwendig ist. Dies ict insbesondere dann schwerwiegend, wenn gleichzeitig zur Vergras. serung der katalytischen Aktivität ein Katalysator in" Korr. von feinen Teilchen verwendet wird. Es ist vorgeschlagen worden,-den Gasweg durch den Katalysator dadurch zu verkürzen, ucii man Anordnungen für Radialdurchgang des Gases durch den Katalysator traf. Hierbei ergeben sich jedoch Schwierigkeiten infolge Rückdiffusion im Katalysator während der Katalysatorreduktior. oowie unhomogene Packung des Katalysatorbetts; es sind modifizierte Reaktoren vorgeschlagen worden, bei denen der druckabfall
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künstlich erhöht wird.
Es wurde nun ein neuer Reaktor entwickelt, der die vorgenannten Nachteile vermeidet oder mindert und dennoch einfachen Aufbau hat.
Erfindungsgemäß besitzt ein Reaktor eine druckfeste Schale, ein Katalysatorbett mit Ringquerschnitt und" einen Wärmeaustauscher, der in dem von dem Katalysatorbett umgebenen Raum untergebracht ist, wobei die Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß sich der Wärmeaustauscher über einen Teil der Gcsa.ir.tlönge des Katalysatorbetts erstreckt, wobei der verbleibende Raum kleineren Innendurchmesser als derjenige Teil hat, der ' durch den Wärmeaustauscher eingenommen.wird.
Der Wärmeaustauscher erstreckt sich über eine Länge, die vorteilhaft zwischen 2OiS und 80% der Gesamtlänge des Katalysatorbetts liegt,' zum Beispiel etwa bei 50*, wobei die erforder- ä liehe Länge von den genauen Auslegungsparametern des Konverters abhängt.
In dieser allgemein definierten Form hat der Reaktor den Vorteil, daß der Bereich des Katalysatorbetts höchsten Druckabfalls auf den Bereich neben dem Wärmeaustauscher bcgrer.rt, ist, wobei der verbleibende Teil des Betts einen größeren Querrchnitt
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hat und somit zu einem niedrigeren Druckabfall führt. V/eitere Vorteile der Erfindung sind bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung angeführt.
Bei Reaktoren, wie solchen nach der Erfindung, hat der Wärmeaustauscher die Aufgabe, umgesetztes Gas durch indirekten Wärmeaustausch mit ankommendem nicht umgesetzten Gas zu kühlen, das auf diese Weise erhitzt wird. Dementsprechend sind die Gaskanäle im Reaktor so angeordnet, daß das den Katalysator verlassende umgesetzte Gas über die Warmseite dos Austauschers aus dem Reaktor hinausgeführt und das hereinkommende Gas nach Durchgang durch die Kaltseite des Austauschers zum Einlaß des Katalysatorbetts geleitet wird.
Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen■Reaktorausführungsform befindet sich der Auslaß der Kaltseite des Wärmeaustauschers in Strömungsverbindung mit getrennten Einlassen des Katalysatorbetts, zum Beispiel (in einem Vertikalreaktor) am Kopf und am Boden, so daß der den Wärmeaustauscher verlassende Strom an hereinkommendem Gas geteilt wird, wobei ein Teil (in einen Vertikalkonverter) zum Kopf des Katalysatorbetts und der andere Teil zum Boden des Katalysatorbetts geführt wird, wonach die beiden Ströme konvergieren und durch einen Bettauslaß abströmer., der an einer Zwischenstelle des Katalysatorbetts vorgesehen ist, die sich nahe dem Einlaß der Warmseite dos W/irneauotaunchers
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befinden kann. Bei diesem Reaktor werden die'beiden Teile des Katalysatorbetts parallel benutzt, so daß für den Fall, daß die beiden Teile etwa gleich sind, der Druckabfall durch das Bett in der Größenordnung von einem Achtel des Werts liegt, den man erhielte, wenn das ganze Gas durch die Gesamtlänge des Katalysatorbetts geführt würde. Gleichzeitig können die Strömungsverbindungen sehr einfach sein.
Bei dieser Ausführungsform des Reaktors liegt vorteilhaft der ganze Katalysator in einem einzigen Körper vor. Dies erleichtert, selbstverständlich das Einfüllen und Entnehmen des Katalysators. Es macht darüber hinaus Aufwärtsgasotroru praktikabel, da jegliche Tendenz des unteren Teils des Betts zur Anhebung durch das Gas mit Hilfe der nach unten gerichteten Kraft wirkungsvoll begegnet wird, die durch den oberen Teil des Betts ausgeübt wird, und zwar sowohl durch das Gewicht als auch durch den Abwärtsfluß des Gases in dem Teil. Der Katalysatorbettauslaß besitzt vorzugsweise ein Wandelement, das mit öffnungen f oder Perforationen versehen ist und sich von der Reaktorachse weit genug in das Katalysatorbett erstreckt, so daß das Gas bevorzugt durch die Löcher oder Perforationen geht, statt weiter durch das Katalysatorbett zu strömen. Das Wandelement begrenzt vorteilhaft eine Sammelkammer um das Ende des Wärmeauntauscherü.
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Diese /usführungsförm des Reaktors kann alternativ zwei oder mehr Katalysatorkörper enthalten, die jeweils für gleichzeitigen Aufwärts- und Abwärtsstrom ausgelegt sind und mitihren eigenen Wärmeaustauschern verbunden sind. In einem derartigen Reaktor werden die Katalysatorkörper vorteilhaft durch Kanäle (die schließbar oder nicht schließbar sind) für Eintritt oder Abfuhr des Katalysators verbunden»
Der Reaktor kann Einrichtungen für Temperatursteuerung durch Abschreckgaseinspritzung aufweisen, Wärmeaustausehröhre, die kühleres Verfahrensgas transportieren, oder Wärmeaustäuschr einrichtungen, die die Verwendung zusätzlicher Flüssigkeiten . wie Wasser, "Thermex" (eine Mischung aus Diphenyl und Diphcrylather) oder Kohlenwasserstoffe und .halogenierte Kohlenwasserstoffe bedingen. Vorteilhaft besitzt jedes Katalysatorbett wenigstens eine Abschreckgaseinspritzeinrichtung, wie sie in der britischen Patentschrift 1 105 6lVbeschrieben ist, d.h. einen perforier- \ ten Hohlstab oder Käfig mit · Brauseeinrichtung,- iwobei jeder Hohlstab einen Querschnitt· hat, der groß genug, isrtr, daß, sein Inneres eine Mischzone bildet und der sich nahe genug an. anderen Stäben oder an den'ICatalysatorbettw'indön befindet, so , daß ein erheblicher Anteil des Reaktions'gemischoü durch dan Innere der Stäbe geht.'Sofern einkonvergierendes SfcroJiiuntncy—. atem verwendet wird, enthält jeder Katalysatorbottteil vorteilhaft wenigabona oino diener
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Das Katalysatorbett kann in einen Korb eingeschlossen sein, in einer Weise, wie sie gewöhnlich bei Synthesereaktören angewendet wird. Der Korb für Reaktoren nach der Erfindung enthält vorzugsweise lediglich einen Katalysatorkörper, so daß er ohne Entnahme des Korbs leicht in den Reaktor eingebracht oder aus diesem entnommen werden kann. Es ist damit unnötig, den Reaktor mit einem Vollochverschluß .zu versehen, durch den der Korb entfernt werden kann*
Als Weiterbildung der Erfindung ist eine Reaktorpatrone vorgesehen, d.h. der Innenaufbau des bereits beochriebenen Reaktors, und insbesondere ein Aufbau, der einen zylindrischen Behälterkessel, ein Katalysatorstützgitter nahe dem Boden und ein Axialrohr aufweist, dessen einer Abschnitt einen Wärmeaustauscher enthält und dessen verbleibender Abschnitt im wesentlichen enger als der erste Abschnitt ist und daß an seiner Stelle der Weitenänderung mit einem perforierten Wandteil versehen ist, das sich in den Raum zwischen dem Behälterkessel und dem Rohr erstreckt Λ und einen Auslaß aus dem Katalysatorbett und eine Samme1kammer für Gas um das Ende des Wärmeaustauschers begrenzt. Diese Patrone besitzt außerdem Einlasse für Frischgas, Auslässe für Produktgas und Einlasse und Auslässe für Katalysator und ist für Verwendung mit Temperatursteuereinrichtungen ausgerüstet, r:um Beispiel mit der Gasabschreckeinspritzeinrichtung gemäß Vorbeachreibung.
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Die Kombination des Wärmeaustauschers mit dem vordefinierten Axialrohr zur Verwendung in einem Reaktorkatalysatorkorb ist ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung·
Als eine Alternative zur Benutzung eines Korbs kann der Reaktor mit einem feuerfesten Beton ausgekleidet und von einer* Kühlmantel umgeben werden. Auch in diesem Fall ist kein Volllochverschluß notwendig, da lediglich ein Katalysatorkörper vorhanden sein muß.
Zu den Verfahren, für die der Reaktor geeignet ist, gehören die folgenden Verfahren:
a) Ammoniaksynthese, die beispielsweise bei Drücken in Bereich von 100 - 500 Atmosphären und Temperaturen in der Größenordnung von 350 bis 55O°C durchgeführt wird. Der Druck liegt bevorzugt im Bereich von 150 bis 350 At mosphären, gemessen am Umlaufkompressorauslaß, d.h., er beträgt etwa 130 bis 320 Atmosphären am Reaktoraucgang. Der Reaktor kann zufriedenstellend in Verbindung mit Zentrifugalkompressoren verwendet werden. Vorteilhaft liegt die Katalysatorteilchengrüße im Bereich von 3-12 mm, vorzugsweise bis 9 mm; Abmessungen kleiner als 2 mm sind ebenfalls gut geeignet.
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b) Methanolsynthese über einen Kupfer enthaltenden Katalysator bei Drücken, die vorzugsweise im Bereich bis zu 200 Atmosphären, insbesondere im Bereich von 10-150 Atmosphären liegen und bei Temperaturen im Bereich von 160-30O0C, VQrzugsweise 190-27O0C.
Eine bevorzugte Ausfuhrungsform eines erfindunßseemäßen Reaktors ist im Aufriß im Axialschnitt in der beigefügten Zeichnung verdeutlicht.
In der Zeichnung ist die Außenschale 10 mit einem Vollloch-Kopfdeckel 12, einer Kaltgaseinlaßöffnung 14 ,einer Abschreckgaseinlaßöffnung 16 und mit einem bis drei Katalysatorentnahmeöffnungen 18 versehen. Der Deckel 12 besitzt ein Loch 20, durch das sich das Gaseinlaßrohr 22 und das Gasauslaßrohr 24 koaxial erstrecken; ferner ist im Deckel ein Loch 26 vorge-
sehen, durch das sich das Abschreckgaseinlaßrohr 28 erstreckt. Der Katalysatorkorb 30 ist auf einer Verlängerung 32 der Kalt- " gaaeinlaßöffnung 14 gestützt und hat einen solchen Durchmesser, daß er auf der Innenseite der Außenschale 10 einen Hohlraum 34 beläßt. Der Korb 30 muß nicht hohen Drücken widerstehen, so daß : er aus leichterem Metall als die Außenschale 10 hergestellt ist. , Er iet über den größten Teil seiner Fläche mit einer Außenschicht aus Isoliermaterial überzogen. Der Gesamtaufbau innerhalb der Schale wird als "Patrone" oder Reaktorinnenaufbau bezeichnet. ,.::-.:=. .. *
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Der obere Abschnitt des Korbs 30 Ist mit einem weiten Axialraum 36 versehen, der einen Wärmeaustauscher 38 enthält, an dessen oberes Ende das Gaseinlaßrohr 22 und das Gasauslaßrohr 21I angeschlossen sind und dessen unteres Ende sowohl an das obere als auch an das untere Ende des Katalysatorbetts anceschlossen ist. Der untere Abschnitt des Korbs 30 ist mit einem engen Axialraum 40 versehen, der vom unteren Ende des Wurmeaustauschers 38 zur perforierten Unterseite des Katalysatorbetts 42 führt. Zwischen dem oberen und unteren Axialraum befindet sich ein perforierter Wandbereich 44, der den Gasauslaß vom Katalysatorbett zur heißen Einlaßseite des Wärmeaustauschers 38 bildet und eine Sammelkammer um das Ende des Wärmeaustauschers begrenzt. Das Katalysatorbett 42 Ist mit zwei Abschreckcaseinlassen versehen, die jeweils aus einer innerhalb einer katalysatorfreien Mischzone angeordneten Brause bestehen. Die Lance der beiden Teile des Katalysatorbetts 42 ist angenähert cleich.~
Beim Einsatz des Katalysators für Ammoniaksynthese werden die öffnungen 14, 16, 22 und 28 mit 'kaltem Ammoniak-synthe3egas gespeist. Das durch die öffnung 14 eintretende Gas wandert durch den Hohlraum 34 aufwärts und wird etwas erwärmt, wobei es eine Erhitzung der Außenschale 10 über 1500C hinaus verhindert. Es wandert dann durch die Schalenseite (Kaltseite) des Wärmeaustauschers 38 und wird auf die Einlaßtemperatur des Kata lysators (etwa 38Ö his 4500C) erhitzt. Am Boden des Wärmeau3tau-
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-lischers 38 mischt es sich mit Synthesegas, das durch das Rohr 22 (letzteres Gas ist kühler, um ein Mittel zur Temperatursteuerung zu haben) eingetreten ist, wobei die Mischung proportional zur Katalysatorbettfläche in zwei Ströme unterteilt wird, von denen einer zum Kopfende des Katalysatorbetts 42 und von denen der andere zum Boden des Katalysatorbetts 42 geht. Die Synthese erfolgt und es steigt die Temperatur auf 450 bis 55O0C an, wobei sich das Gas Jetzt bei 46 mit Kaltgas mischt, das durch die Ab- . schreckeinlässe 16 und 18 zugeführt wird, so daß. die Temperatur auf 38O bis 45O?C abfällt. Nach einem weiteren Durchgang durch das Katalysatorbett, der länger als der erste Durchgang vor den Abschreckzonen ist, da Ammoniak in einer geringeren Rate synthetisiert wird, wenn einmal etwas geformt worden ist, bringt die weitere Synthese die Temperatur auf dasselbe hohe Hiveau wie zuvor. Die Strömungsraten sind so gewählt, daß diese Temperatur auf der Höhe des Bereichs 44 erreicht wird, an dem die beiden Gasströtne das Katalysatorbett verlassen r in den Wärmeaustauscher 38 eintreten und nach Erhitzen ankommenden Synthese- | gases durch die Rohre und in das Rohr 24 abwandern.
Eine ähnliche Arbeitsweise ist für Methanolsynthese geeignet.
Zur Erfindung gehören auch modifizierte Reaktoren, bei denen beispielsweise der Wärmeaustauscher sich am Boden statt
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am Kopfende befindet oder die unterschiedliche Rohrabmessuncen oder Gasstrommuster haben.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    I* Reaktor mit einer druckfesten Schale, einem Katalysatorbett mit Ringquerschnitt und einem Wärmeaustauscher, der innerhalb des von dem Katalysatorbett versehenen Raums untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (38) sich über einen Teil der Gesamtlänge des Katalysatorbetts (42)·erstreckt, wobei der Rest des Raums kleineren Innendurchmesser als der vom Wärmeaustauscher eingenommene Teil hat. ■ - ■
    2, Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    der Auslaß der Kaltseite des Wärmeaustauschers sich in Strömungsverbindung mit getrennten Einlassen des Katalysatorbetts (42) befindet und das Katalysatorbett zwischen den getrennten Einläs- I sen einen Auslaß hat, so daß der Strom an ankommendem Gas konvergierend durch das Katalysatorbett in Richtung auf den Auslaß
    t strömt.
    3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorbettauslaß ein Wandelement aufweist, das mit Löchern odor Perforationen versehen* ist und das sich von der Reak-
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    torachae so weit in das Katalysatorbett erstreckt s daß das Gas bevorzugt aus dem Bett austritt.
    1J. Reaktor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Wandelement eine Sammelkammer (M) um das Ende des Wärmeaustauschers (38) bildet.
    5. Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadu*""1"" gekennzeichnet, daß jedes Katalysatorbett wenigstens eine Ab=* schreckgaseinspritzeinrichtung (46) aufweist, die einen perforierten Hohlstab mit zugeordneter Brause aufweist, wobei jeder Hohlstab im Querschnitt groß genug ist, das sein Inneres eine Mischzone bildet und sich nahe genug zu anderen Stäben oder zu dem Katalysatorbettwänden befindet, so daß ein erheblicher Anteil des Reaktionsgemisches durch-das Innere der Stäbe geht.
    6. Reaktor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß P die konvergierenden oder zusammenlaufenden Strömun£sabschnitte des Katalysatorbetts jeweils wenigstens eine dieser Abschreckeinsprit zeinrichtungen (46) aufweisen.
    7. Reaktor nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Rohr, von dem ein erster Abschnitt einen Wärmeaustauscher (38) enthält und von dem der Reät im wesentlichen cncer als der erste Abschnitt ist und daß an seinem Weitenwcchsel mit einem
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    sich nach außen erstreckenden Wandelement versehen ist, das um das Ende des Wärmeaustauschers eine Gassammelkammer (M) bil- ]
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