DE2166659C3 - Reaktor für exotherme katalytische Verfahren - Google Patents

Reaktor für exotherme katalytische Verfahren

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Description

Die Erfindung betrifft eüien Reaktor für exotherme katalytische Verfahren bei hohen Drucken und Temperaturen, wie die Ammoniak- oder Methanolsynthese, unter Verwendung von Synthesegasen mit über 20%igem Inertgehalt, bestehend aus einem senkrechten Druckkörper mit hintereinandergeschalteten Katalysatorvorlagen und Wärmeaustauschern, einer im oberen Teil des Reaktors angeordneten, adiabatisch arbeitenden, axial durchströmten Katalysatorzone, einem Zentralrohr mit elektrischer Heizeinrichtung sowie Sammel- und Mischkammer.
Ein Reaktor dieser Art ist durch die AT-PS 2 66 168 bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Reaktor verläuft die Katalysatorzone zu beiden Seiten der Kühlröhrenzone und begrenzt diese von zwei Seiten, so daß die Kühlröhrenzone als schmaler Streifen ausgebildet ist Die Bewegung der Gase erfolgt senkrecht zum Gaszuführungsrohr und unter Umlenkung jeweils über Gitter durch die Kühlröhrenzone hindurch. Die Kühlröhren sind als normale einfache Röhren ausgebildet Unterhalb der Kühlröhrenzone überdeckt die Katalysatorzone diese, und es schließt sich daran der Hauptwärmetauscher an, der mit einfachen leeren Kühlröhren bestückt ist, die in Querrichtung vom zugeführten Gasstrom umspült werden. Zwischen mehreren jeweils übereinander angeordneten Kühlröhrenzonen ist ein Sammelkasten angeordnet, der 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 ausmacht. Auch besteht die Gefahr der Bildung bevorzugter Gaskanäle in der Katalysatorzone, was zur unvollkommenen Ausnutzung weiter beiträgt. 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,
r> Ein Reaktor der eingangs genannten Art ist ferner durch die DE-OS 1542 278 bekanntgeworden. Bei diesem bekannten in liegender Bauweise ausgeführten Reaktor erstreckt sich die Katalysatorzone im v, ssentlichen über den gesamten Querschnitt des Innenraumes
i» des Reaktors und ist mehrmals von mit Kühlröhren bestückten Wärmetauschern 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 jeweils senkrecht zur Gaszuführung, wobei die Katalysatorzonen zum Gasein- und -austritt am Umfang von Schlitzblechen umgeben sind. Auch hier ergeben sich im wesentlichen die zum Reaktor der AT-PS 2 66 168 genannten Nachteile. Darüber hinaus ist wegen der Einzeltemperatursteuerungen der Betrieb relativ kompliziert
Aus der FR-PS 14 98 803 ist schließlich ein Reaktor bekanntgeworden, in dessen Katalysator konzentrische Rohre üblicher Bauart eingebettet sind. Ansonsten ist bei diesem bekanntet» Reaktor die Katalysatorzone vom Wärmetauscher vollkommen getrennt, wobei die Katalysatorzone über der Wärmetauscherzone angeordnet ist Es ergeben sich also auch hier die obengenannten Nachteile der ungenügenden Ausnutzung des Reaktors.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Reaktor der eingangs genannten Art zu schaffen, der die Nachteile der bekannten Reaktoren vermeidet, der eine wesent-
r> lieh bessere Ausnutzung gestattet und der eine größere thermische Beständigkeit besitzt
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs abgegebenen Merkmale gelöst Mit dem erfindungsgemäßen Reaktor
·*" werden neben maximalen Reaktionsgeschwindigkeiten in der adiabatischen, katalytischen Zone auch optimale Arbeitstemperaturen in der darunterliegenden Katalysatorzone mit Wärmeübertragung erzielt, da dort konzentrische Doppelrohre bestimmter Konstruktion
v> verwendet werden. Des weiteren ist das Katalysatorvolumen erheblich vergrößert, was u. a. durch die zusätzliche Vorkatalyse in den mit Metallkugeln ausgefüllten Rohrzwischenräumen des Wärmeaustauschers erreicht wird. Schließlich ist eine thermische
>° Beständigkeit des Reaktors während des Betriebs erreicht, und es werden lokale Oberhitzungen vermieden, was für die Lebensdauer und die Aktivität des Reaktors wichtig ist. Im Endeffekt ergibt sich dadurch nicht nur eine wesentliche Steigerung der verfahrens-
M mäßigen Produktion, sondern gleichzeitig auch eine einfache, leicht auszuführende und robuste Konstruktion.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entneh-
Wl men, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigt
F i g. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Reaktor und
'·"' F i g. 2 das Ififienrohr eines beim erfindungsgemäßen Reaktor verwendeten Wärmeaustauscherdoppelrohres in vergrößertem Maßstab.
Der in der Zeichnung dargestellte Reaktor findet
vorzugsweise dann Anwendung, wenn ein Synthesegas mit hohem Inertgehaft, d, h, über 20%, oder Abblasegase (Purgiergase) aus den Syntheseanlagen der Ammoniakerzeugung zugeführt wird. Das Synthesegas mit hohem Inertgehalt wird in den Reaktor durch dessen Kopf 1 eingeleitet, strömt mit einer schraubenförmigen Abwärtsbewegung durch einen ringförmigen Raum »a« zwischen einem Widerstandsmantel 2 des Reaktors und dem eigentlichen Innenkörper 3, worin es sich bis auf 50—600C auf Kosten von Wärmeverlusten des Innenkörpers 3 erwärmt
Durch diesen Umlauf wird die Erhitzung des Reaktorwiderstandsmantels 2 auf über 1000C vermieden.
Nachfolgend strömt das -Gas durch metallische Siebe 4 und dringt in einen Rohrzwischenraum »&< eines Wärmeaustauschers 5 ein, worin es sich auf Kosten der Wärme der den Reaktor verlassenden umgesetzten Gase erwärmt, wobei die metallischen Siebe 4 zur Zurückhaltung der gegebenenfalls vom Gas mitgeschleppten mechanischen Teilchen und zum T'agen von Metallkugeln 6 bestimmt sind. Die Metallkugeln 6 sind aus unlegiertem Kohlenstoffstahl mit einem bestimmten Oberflächenbearbeitungsgrad und füllen den Rohrzwischenraum »Zx< des Wärmeaustauschers 5 zur Verstärkung des Wärmeübergangs. Das Niveau der Füllung mit Metallkugeln des Rohrzwischenraumes »&< erlaubt eine Fluidisierung dieser Kugeln zur Selbstreinigung im Falle ihrer Verstopfung mit während des Betriebes angelagerten Verunreinigungen. Die vorkatalytisch wirkenden Kugeln 6 des Rohrzwischenraumes »ix< nehmen ein bestimmtes Volumen in diesem ein, insbesondere die obere Hälfte der Kugelschicht, was von der Katalysatorart und der minimalen Reduktionstemperatur unter der Bedingung abhängig ist, daß die Reduktionszeit für die katalytischen Kugeln kürzer als die Reduktionszeit für den Synthesekatalysator sein soll.
Aus dem Rohrzwischenraum »tx< des Wärmeaustauschers 5 strömt das auf die Temperatur von 300—3500C erhitzte Gas durch eine Lochplatte 7, die ein eventuelles Mitschleppen der Metallkugeln 6 vom Gas im Falle ihrer Fluidisierung oder im Falle von Durchflußschwankungen vermeidet.
Nachfolgend werden die Gase in einer Verteilungskammer »cw gesammelt, von wo aus sie in konzentrische Doppelrohre vom Field-Typ eintreten, die ein Außenrohr 8 und ein dazu konzentrisches Innenrohr 9 aufweisen, wobei zwischen den Rohren 8 und 9 Führungsrippen 10 angebracht sind.
Das Gas strömt durch die konzentrischen Field-Doppelrohre, ti/H durch das untere Ende des Innenrohres 9 ein, worin es bis auf 3700C erwärmt wird, strömt dann durch den oberen Teil in den ringförmigen Raum »</« zwischen den konzentrischen Rohren 8 und 9, und in seiner Abwärtsbewegung wird es weiter auf 400—4100C auf Kosten der Reaktionswärme der einen Wärmeübergang bewirkenden Katalysatorschicht 11 erhitzt, in der die konzentrischen Field-Rohre angeordnet sind.
Das innenrohr 9 weist an seinem oberen Teil eine variable Dicke mit konischem Profil auf, welches durch die variable Geschwindigkeit des Gases einen geregelten Wärmeübergang sichert, so daß die optimale Temperaturenkurvs in der Katalysatormasse erreicht werden kann.
Ebenfalls zum Erreicl/.n der optimalen Temperatur
kurve in der Katalysatormasse und zur Sicherung der erforderlichen Temperatur zum Einleiten der Reaktion beim Eintritt des Gases in einen anderen Katalysatorraum 31, der am oberen Teil des Reaktors angeordnet ist, ist das Innenrohr 9 an seinem unteren Teil mit einem Stück »e« thermischer Isolierung mit Gaskissen mit Mündungen »/"« zum Ausgleich der Drucke versehen.
Dann strömt das Gas durch den unteren Teil des Rohres 8 aus den konzentrischen Doppelrohren aus und
ίο tritt in einen ringförmigen Raum »g« zwischen dem
Zentralrohr 13 und einem elektrischen Heizkörper 14
ein, worin es sich auf 410—4200C erhitzt, und bei dieser
Temperatur in die Katalysatorschicht 31 axial eintritt. Die Katalysatorschicht 31 ist ringförmig, direkt über
is der Katalysatorschicht U angeordnet und bildet eine adiabatische Katalysatorzone, in welcher die Temperatur des Gases bis auf 510—520°C steigt, wobei die entwickelte Wärme eine Selbstbeschleunigung der Reaktion der aus der Katalysatorsrhicht 31 austretenden und in die Katalysatorschicht 11 eintretenden Gase bewirkt Das Verhältnis zwischen Höhe und Dicke der Katalysatorschicht 31 beträgt etwa 5:1. Sie soll eine Temperaturerhöhung des Gases über 5200C durch entsprechende Dispersion der Wärme verhindern, wobei die Reaktion weiter in der Katalysatorschicht 11 durch deren zweckmäßige Bauart beherrscht werden kann. In der Katalysatorschicht U reagieren die Gase nach der optimalen Temperaturenkurve.
Beim Austritt aus der katalytischen Zone 11 strömen
in die umgesetzten Gase durch eine Kugelschicht 22, in der die Katalysatorteilchen zurückgehalten werden, dann durch die Siebe 23 und verlassen die katalytische Zone durch den Rost 24, der die katalytische Schicht 11 mit Wärmeübergang trägt
υ Weiter strömen die Gase durch den ringförmigen Raum »«< zwischen dem Verteilungskasten »c« und dem Innenkörper 3 und treten in einen rohrförmigen Raum »/< des Wärmeaustauschers 5, der ebenfalls mit Metallkugeln 25 derselben Größe wie die Kugeln 6 und
ι» 22 gefüllt ist, wobei die Metallkugeln 25 von den Ringen .26 getragen sind.
Die Verstopfung des rohrförmigen Raumes »y«, der die Metallkugeln 25 enthält, mit eventuellen vom Gas mitgeschleppten Katalysatorteilchen isl nicht möglich,
•»τ weil die Gasgeschwindigkeit beim Durchströmen dieser Kugelschicht 25 etwa 4mal größer als beim Durchströmen der Kugelschicht 22 ist
Bei großen Gasgeschwindigkeiten können die Metallkugeln 25 durch Metallstäbchen mit Quadratprofil
vi ersetzt werden.
Ferner treten die Gase, auf eine Temperatur von 200—?50°C gekühlt, aus dem Wärmeaustauscher 5 aus und verlassen den Reaktor an dessen unterem Teil.
Zur Regelung der Arbeitstemperatu-εη in den
•>r> katalytischen Schichten 11 und 31 ist der Reaktor mit einem Kaltgaszulauf 27 versehen, der das kalte Gas in den Rohrzwischenraum »Zx< des Wärmeaustauschers speist.
Zur Messung der Temperaturen in den Katalysator-
"<> schichten U und 31 ist der Reaktor mit zwei symmetrisch angeordneten Scheiden 28 versehen.
Da der Wärmeaustauscher 5 kleine Dimensionen hat und hohe Temperaturgradiente aufweist, ist er mit rohrförmigen Plattu? 29 versehen, die von Asbertplat-
■ · ten 30 thermisch geschützt sind.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch;
    Reaktor für exotherme katslytjsche Verfahren bei hohen Drucken und Temperaturen, wie die Ammoniak- oder Methanolsynthese, unter Verwendung von Synthesegasen mit über 20%igem Inertgehalt, bestehend aus einem senkrechten Druckkörper mit hintereinandergeschalteten Katalysatorvorlagen und Wärmeaustauschern, einer im oberen Teil des Reaktors angeordneten, adiabatisch arbeitenden, axial durchströmten Katalysatorzone, einem Zentralrohr mit elektrischer Heizeinrichtung sowie Sammel- und Mischkammer, gekennzeichnet durch eine kreisringförmig ausgebildete, unmittelbar über der mittleren Katalysatorvorlage (11) angeordnete, adiabatisch arbeitende Katalysatorzone (31) mit axialer Gaszuführung, mehrere konzentrisch angeordnete Wärmeaustauscherdoppelrohre (8, 9) in der mittleren Katalysatorvorlage (11), bestehend au? je einem Außenrohr (8) und einem zu diesem konzentrischen, sich nach oben konisch verjüngenden Innenrohr (9), mit Synthesegaskissenisolierung (e) und Druckausgleichsöffnungen (f) sowie einen 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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