DE2123650B2 - Reaktor fuer exotherme katalytische verfahren - Google Patents

Reaktor fuer exotherme katalytische verfahren

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Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor für exotherme katalytische Verfahren bei hohen Drücken und Temperaturen wie die Ammoniak· oder Methanolsynthcsc. bestehend aus einem senkrechten Druckkörper mit hintereinandergeschaltcten Katalysatorvorlagen und Wärmeaustauschern, einer im oberen Teil des Reaktors angeordneten, adiabatisch arbeitenden, radial durchströmten Katalysatorzone, einem Zentralrohr mit elektrischer Heizeinrichtung sowie Sammel- und Mischkammer.
Ein derartiger Reaktor ist durcn die OE-PS 2 66 168 bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Reaktor nimmt die Katalysatorzone oberhalb des Kühlröhrensystems nahezu den gesamten Querschnitt des Reaktors ein und verläuft dann zu beiden Seiten der Kühlröhrenzone weiter nach unten und begrenzt diese von zwei Seiten, so daß die Kühlröhrenzone als schmaler Streifen ausgebildet ist. Die Bewegung der Gase innerhalb dieser Katalysatorzone erfolgt somit von einem Ende zum anderen jeweils senkrecht zum Gaszuführungsrohr hin und von deren Mitte nach außen und jeweils über Gitter durch die Kühlröhrenzone hindurch. Die Kühlröhren sind als normale einfache Röhren ausgebildet. Unterhalb der Kühlröhrenzone überdeckt die Katalysatorzonc diese wieder und es schließt sich daran der Hauptwänneiauscher an, dci mit einfachen leeren Kühlröhren bestückt ist, die in Querrichtung vom ziigefühi ten Gasstrom umspült werden, /.wischen mehreren jeweils übereinander angeordneten Kühlröhrenzonen ist ein Sammelkasten angeordnet, der lediglich einen freien Raum begrenzt.
Nachteilig hieran ist. daß der Raum, der von der Katalysatorzone eingenommen wird, nur einen verhältnismäßig geringen Prozentsatz des Gesamtvolumens des Reaktors ausmach'. Auch besteht die Gefahr der Bildung bevorzugter Gaskanäle in der Katalysatorzone.
was weiter zur unvollkommnen Ausnutzung beitragt. Der Betrieb dieses bekannten Reaktors ist damit relativ unwirtschaftlich. Darüber hinaus ist auch der Wärmeaustausch nicht optimal, da einfache Kühlröhren Verwendung finden. Dies wiederum wirkt sich nachteilig auf die thermische Beständigkeit des Reaktors während des Betriebes aus. Schließlich weist er einen relativ hohen Strömungswiderstand auf.
Ein Reaktor der eingangs genannten Art ist ferner ίο durch die DT-OS 15 42 278 bekanntgeworden. Bei diesem in liegender Bauweise ausgeführten Reaktor erstreckt sich die Katalysatorzone im wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Innenraums des Reaktors und ist mehrmals durch mit Kühlröhren bestückte Wärmetauscher getrennt, die ebenfalls den gesamten Innenraum an dieser Stelle einnehmen und denen das kalte Gas getrennt zugeführt wird. Bei diesem bekannten Reaktor erfolgt die Bewegung der Gase innerhalb der Katalysatorzonen ebenfalls senkrecht zur Gaszuführung, wobei die Katalysatorzonen zum Gasein- und -austritt am Umfang von Schlitzblechen umgi-veii sind. Auch hier ergeben sich im wesentlichen die zum Reaktor der OE-PS 2 66 168 genannten Nachteile. Darüber hinaus is: wegen der Einzeliemperatursieuerungen der Betrieb relativ kompliziert.
Aus der TR-PS 14 98 803 ist schließlich ein Reaktor bekanntgeworden, in dessen Katalysator konzentrische Rohre üblicher Bauart eingebettet sind. Ansonsten ist bei diesem bekannten Reaktor die Katalysatorzone vom Wärmetauscher vollkommen getrennt, wobei die Katalysaiorzone über der Wärmetauscherzone angeordnet ist.
Es ergeben sich also auch hier die obengenannten Machteile der ungenügenden Ausnutzung des Reaktors. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor für exothermische katalytische Verfahren tier eingangs genannten Art /u schaffen, der diese Nachteile vermeidet und eine in wirtschaftlicher Hinsicht wesentlich bessere Ausnutzung bei größerer thermischer Beständigkeit gestattet.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen kegclstumpfförmig ausgebildeten Korb zur Aufnahme der adiabctisch arbeitenden Katalysator/oiu' mit radialer Gas/.uführung, eine mit Leitblechen versehene Mischkammer am unteren Ende des siebförmig gestalteten Katalysatorkorbs, mehrere konzentrisch angeordnete Wärmeaustauscherdoppelrohre in der mittleren Katalysatorvorlage bestehend aus je einem Außcnrohr und einem zu diesem konzentrischen sich nach oben konisch verjüngenden Innenrohr mil Synthosegaskissenisolicrung und Druckausgleichsöffnungen sowie einen im unteren Teil des Reaktor1 angeordneten Wärmeaustauscher, der sowohl innerhall· als auch außerhalb der ihn durchlaufenden Rohre mi Metallkugeln gefüllt ist.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen de: Reaktors sind im folgenden im Zusammenhang mit dci Zeichnungen beschrieben. Hs zeigt
E i g. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch dei erfindungsgemäßen Reaktor.
F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie AA der 1-" i g. und
F i g. 3 das Innenrohr eines beim erfindungsgemäßei Reaktor verwendeten Wäriv.eaustauscherdoppelrohre 111 vergrößertem Maßstab.
Der in der Zeichnung dargestellte Reaktor finde vorzugsweise dann Anwendung, wenn ein Synthesega mit niedrigem Inertgeh ill, d.h. unter 20% zAigeführ
wird. Das .Synthesegas mit niedrigem Inertgehall wird in den Reaktor durch dessen Kopf 1 eingeleitet, strömt unter einer schraubenförmigen Abwärtsbewegung durch einen ringförmigen Raum j zwischen dem Reakiormantei 2 und dem eigentlichen Innenkörper 3. in welchem es sich auf Grund von Wärmeverlusten des Innenkörpers 3 bis auf 50 bis 60° C erwärmt.
Durch diesen Umlauf wird die Erhitzung des Reaktormantels 2 auf über !00° C vermieden.
Danach strömt das Gas durch metallische Siebe 4 und dringt in einen Rohrzwischenraum b eines Wärmeauslauschers 5 ein, in welchem es sich auf Grund der Wärme der Jen Reaktor verlassenden umgesetzten Gase erwärmt, wobei die metallischen Siebe 4 zum Zurückhalten der gegebenenfalls vom Gas mitgcschleppten mechanischen Teilchen und zum Tragen der Metallkugelfüllung 6 bestimmt sind. Die Metallkugeln 6 sind aus unlegiertem Kohlenstoffstahl mit einem bestimmten Oberflächenbearbeitungsgrad und füllen ilen Rohrzwischenraum ödes Wärmeaustauschers 5 zur Verbesserung des Wärmeübergangs. Die gewählte rüllhöhe der Metalikugeln 6 im Rohrzwischenraum b festauet eine Bewegung der Metallkugeln 6, damit sie sich während des Betriebes von angelagerten Verunreinigungen selbst reinigen können.
Aus dem Rohrzwischenraum b des Wärmeaustauschers 5 strömt das auf die Temperatur von 300 bis 350 1C erhitzte Gas durch eine Lochplatte 7 die ein eventuelles Mitnehmen der Metallkugeln 6 vom Gas. wenn diese fluidisieren oder wenn Durchflußschwanklingen bestehen, vermeiden soll.
Dann wird das Gus in einer Verteilerkammer c gesammelt, aus der heraus es dann in konzentrische Doppelrohre vom Held-Typ hineinströmt, die aus einem Außenrohr 8 und einem konzentrischen Innenrohr 9 ^5 bestehen, wobei zwischen den Rohren 8 und 9 Führungsrippen 10 angeordnet sind (1- 1 g. 3).
Das Gas strömt also durch die konzentrischen Doppelrohre, und zwar tritt es durch das untere linde des Innenrohres 9 ein, worin es bis auf 370 C erwärmt Wird, strömt dann durch den oberen Teil in den ringförmigen Raum d zwischen den konzentrischen Rohren 8 und 9 und wird bei seiner Abwärtsbewegung weiter auf 400 bis 4!0C auf Grund de: Reaktionswärme der Katal·.satorvorlagc 11, in der die konzentrischen Doppel-Rohre angeordnet sind, mittels Wärmeüberfang erhitzt.
Das Innenrohr 9 weist am oberen Teil eine veränderliche Dicke mit konischem Profil auf, welche durch die variable Geschwindigkeit des Gases einen geregelten Wärmeübergang sichert, so daß ein optimaler Temperaturverlauf in der Kalalysaiorniasse erreicht werden kann.
Ebenlalls zum Erreichen eines optimalen Tempera-Uirverlaufs in der Katalysatormasse und zur Sicherung der erforderlichen Temperatur zum Einleiten der Reaktion beim Eintritt des Gases in eine am oberen Teil des Reaktors angeordnete andere Katalysatorschicht 12, ist das Innenrohr 9 an seinem unteren Teil nut einem Teil ezur thermischen Synthesegaskissenisolierung und Druckausgleichsöffnungen /"versehen ( F1 g. 3).
Das Gas strömt dann durch den unteren Teil des Außenrohres 8 aus den konzentrischen Doppelrohren aus und tritt in einen ringförmigen Raum g /wischen dem Zentralrohr 13 und einem elektrischen I lei/Mab 14 ein, in welchem es sich auf 410 bis 420 C erhitzt. Bei dieser Temperatur tritt das Gas in die Katalysator schicht 12 radial ein.
Die Katalysatorschicht 12 ist kegelstumpfförmig in einem mit Sieben ausgekleideten Lochkorb 15 angeordnet und bildet eine adiabatische Katalysatorzone, in welcher die Temperatur des Gases bis auf 510 bis 520" C ansteigt, wobei die entwickelte Wärme eine Selbstbeschleunigung der Reaktion des aus der Ka'aiysatorschicht 12 austretenden und in eine Mischkammer 16 eintretenden Gases bewirkt. Das Verhältnis zwischen Höhe und Dicke der Katalysatorschicht 12 beträgt etwj 5:1. Die Katalysaiorschicht 12 ist zum Vermeiden einer Temperaturerhöhung des Gases auf über 52O1C durch entsprechendes Verteilen der Wärme bestimmt.
In die Mischkammer 16 (Fig. 1) treten die Gase durch die Öffnungen h ein und werden mittels der Flügel 17 ( Fi g. 2). die zwischen einem Ring 18 und dem Boden des Lochkorbes 15 angebracht sind, tangential geleilet. Durch die so erzeugte Wirbelbewegung wird eine Kanalbildung in der Katalysatorvorlage 11 verhindert und die Gase werden homogenisiert, so daß die negative Einwirkung, die gegebenenfalls durch Bildung von bevorzugten Kanälen beim Durchströmen der KataU satorschicht 12 auftreten könnte, annulliert w ird.
Der mit den Sieben ausgekleidete Katalysatorkorb 15 und cue Mischkammer 16 sind fest zusammengebaut, so daß sii' vom Rest des Innenkörpers 3 mittels eines Rohres 19 (Fig. 1 und 2). das um das Zeiiir.ilrohr 13 gelegt ist. abmontiert werden können.
Aus der Mischkammer 16 strömt das Gas weiter durch eine Lochplatte 20, die mit metallischen Sieben 21 ausgekleidet ist und tritt dann in die Kaialysiitorvorlage 11 ein.
Die Lochplatte 20 mit den dazugehörigen Sieben 21 tritt weiterhin zur Vereinhe 'lichung des Gysstroms beim Eintritt in die Kaialysatorvorlage Il bei und vermeidet somit dessen Wirbclwirkung, die zum Zermahlen des Katalysators und Vers; >i)hmg des Reaktors führen würde.
In der Katalysatorvorlage 11 reagiert da*- (Sas bei einem optimalen Temperaturverlauf.
Beim Austritt aus der Katalysatorvorlage II strömt das umgesetzte Gas durch eine mit Kugeln 22 versehene Schicht, in der die Katalysatorteilchen zurückgehalten werden, dann durch die Siebe 23 und verläßt die Katalysaiorvorlage 11 durch einen Rost 24. der die Katalysatorvorlage 11 trägt.
Das Gas strömt dann weiter durch den ringförmigen Raum / zwischen der Verteilerkammer c* und dem Innenkörper 3 und tritt in einen rohrförmigen Raum / des Wärmeaustauschers 5, der ebenfalls mit Metallkugeln 25 derselben Gi(Mk- wie die Kugein f\ uud 22 gefüllt ist. WoI)Ci die Metallkugeln 25 von Ringen 2b getragen sind.
Eine Verstopfung des die Metallkugeln 25 enthaltenden rohrförmigen Raumes / mit vom Gas eventuell mitgeschleppten Katalysatorteiichen ist nicht möglich, weil die Gasgeschwindigkeit beim Durchströmen der mit den Kugeln 25 versehenen Schicht etwa viermal größer ist als beim Druchxtrömen der mit den Kugeln 22 versehenen Schicht.
Bei großen Gas-Geschwindigkeiten können die Mctalikugcln 25 durch Metallstäbchen mit quadratischem Profil ersetzt werden.
Das (ias tiitt dann bis auf eine Temperaiui von 200 bis 250c C gekühlt aus dem Wärmeaustauscher 5 und verläßt den Reaktor an dessen unitvem Teil.
Zur Regelung der Arbeitstemperaturen in den Katalysatorschichten 11 und 12 ist der Reaktor mit einem Kaltizaszulauf 27 verschen, der das kalte Gas in
den Rohrzwischcnrauin b des Wärmeaustauschers 1J speist.
Zur Messung der Temperaturen in den Katalysator schichten 11 und 12 ist der Reaktor mit zwei symmetrisch angeordneten stabförmige!! Vorrichtungen 28 verschen.
Da der Wärmeaustauscher 5 kleine Dimensionen hat und hohe Temperaturgradiente aufweist, besitzt er rohrförmige Platten 29. die mittels Asbestplatten 30 thermisch geschützt sind.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Reaktor für exotherme katalytische Verfahren bei hohen Drücken und Temperaturen wie die Ammoniak- oder Methanolsynihese. bestehend aus einem senkrechten Druckkörper mit hintereinandergeschalteten Katalysatorvorlagen und Wärmeaustauschern, einer im oberen Teil des Reaktors angeordneten, adiabatisch arbeitenden, radial durchströmten Katalysatorzone, einem Zentralrohr mit elektrischer Heizeinrichtung sowie Sammel- und Mischkammer, gekennzeichnet durch einen kegelstumpfförmig ausgebildeten Korb (15) zur Aufnahme der adiabatisch arbeitenden Katalyiatorzone (12) mit radialer Gaszuführung, eine mit Leitblechen (17) versehene Mischkammer (16) am unteren Ende des siebförmig gestalteten Kaialysatorkorbs (15), mehrere konzentrisch angeordnete Wärmeaustauscherdoppelrohre (8,9) in der mittleren Katalysatorvorlage (U), bestehend aus je einem Auüenrohr (8) und einem zu diesem konzentrischen, sich nach oben konisch verjüngenden Innenrohr (9), mit .Synthesegaskissenisolierung (e) und Druckausgleichsöffnungen (0 sowie einem im unteren Teil des Reaktors angeordneten Wärmeaustauscher (5), der sowohl innerhalb als auch außerhalb der ihn durchlaufenden Rohre mit Metallkugeln (25) gefüllt ist.
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