DE2201528C2 - Reaktionsapparat zur Durchführung exo- und endothermer katalytischer Prozesse mit Radialströmung des Wärmetauschmittels - Google Patents

Description

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halten, um eine mögüchst hohe Ausbeute beim Strömungsgeschwindigkeit und damit Wiirmcübertrq-

Rcaktionsvorgang zu erzielen, gung innerhalb der einzelnen Radialströmun^s-

Die Erfindung geht deshalb von der Überlegung bereiche zwischen^ zwei benachbarten Umlenk-

aiis, die Temperaturcharakterislik des Wiirmetausch- scheiben zu erreichen.

mittels entlang den Kontaktrohren in bestimmter 5 In der Mitte des Reaktionsapparates ist ein verti- ;Weise zu verändern. Dazu bedarf es zusätzlicher kales Rohr? angebracht, an dem die inneren UmMaßnahmen zum Beeinflussen der Wärmeabfuhr ienkscheiben 8 befestigt sind,
bzw. -zufuhr. Demgemäß besteht die Erfindung, aus- Zur Zu- und Abführung eines Wärmetausehgehend von dem zuletzt beschriebenen, bekannten mittels, das bei Durchführung eine.} exothermen Reaktionsapparat, darin, daß in Verbindung mit der xo chemischen Prozesses die beim Reaktionsvorgang an sich bekannten abwechselnd einwärts und aus- in den Kontaktrohren frei werdende Wärme aufwärts gerichteten Radialströmung des Wärmetausch- nehmen soll, ist der Reaktionsbehälter 1 am oberen mittels ferner mindestens eine weitere Ringlcitung und unteren Ende über ringsum verteilte Mantelzum Zu- oder Abführen einer regelbaren Teilmenge öffnungen 10, 11 mit je einer Ringlcitung 12, 13 des Wärmetauschmittels an mindestens einer 15 verbunden.
Zwischensteile angeordnet ist. Die beiden Ringleitungen 12, 13 sind über Rohr-

Dabei werden die Spalte zwischen den Umlenk- stutzen 14, 15 mit dem Gehäuse 16 des Kühlers verscheiben und den Kontaktrohren vorteilhaft derart bunden, in dem eine Rohrschlange 17 mit außenausgebildet, daß die Querströmgeschwindigkeit inner- liegenden Zu- und Ableitungen angeordnet ist. halb einer Zone annähernd konstant gehalten wird, 20 Außerdem ist in das Kühlergehäuse von oben her wodurch erreicht wird, daß auch der Wärmeüber- eine von einem Elektromotor 18 angetriebene Axialgang innerhalb einer Zone konstant ist. In Verbin- pumpe 19 eingebaut.

dung mit unterschiedlichen Abständen der Umlenk- Zwischen den beiden Ringleitungen 12, 13 sind

scheiben wird auch erreicht, daß die Temperatur- unmittelbar oberhalb bzw. unterhalb einer gegen den

differenzen und die Druckverluste in einem waage- 25 Mantel des Reaktionsbehälters 1 abdichtenden ring-

rechten Schnitt innerhalb einer Zone auf ein Mini- förmigen Umlenkscheibe 7 zwei weitere Ringkanäle

'mum reduziert werden. 20, 21 angeordnet, die ebenfalls einerseits mit dem

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der die Kontaktrohre 2 umgebenden Innenraum des Re-Erfindung ist der Reaktionsbehälter durch min- aktionsbehälters 1 über ringsum verteilte Manteldestens eine quer zu den Kontaktrohren durch- 3° öffnungen 22, 23 in Verbindung stehen und anderer-.gehende Trennscheibe in zwei oder mehr Abschnitte seits über Rohrstutzen 24, 25 an das Kühlgehäuse 16 /unterteilt, wobei für jeden Abschnitt besondere Zu- angeschlossen sind. Der Durchtrittsquerschnitt der und Abführungen des Wärmetauschmittels angeord- Rohrstutzen 24, 25 kann durch einstellbare Drosselnet sind. Im Zusammenhang damit kann es sich organe 26, 27 verändert werden,
empfehlen, für jeden Bereich des durch einen Ab- 35 Die Betriebsweise dieser Einrichtung ist folgende: schnitt des Reaktionsbehälters geführten Warnte- Das durch die Axialpumpe 19 entsprechend den tauscJimittels eine besondere Umwälzpumpe und Pfeillinien im Kreislauf durch den Reaktionsgegtbenenfalls auch einen besonderen Wärme- behälter 1 und das Kühlergehäuse 16 umgewälzte tauscher vorzusehen. Dabei können ferner sogar für Wärmetauschmittel tritt über den oberen Rohrdie einzelnen, durch Trennscheiben gegeneinander 40 stutzen 14, den oberen Ringkanal 12 und die zuabgegrenzten Abschnitte des Reaktionsbehälters ver- gehörigen Mantelöffnungen 10 in den Reaktionsschiedene Wärmetauschmittel und/oder für die zu- behälter 1 ein. Dort durchströmt es zunächst radial gehörigen Bereiche der Kontaktrohre verschiedene einwärts den obersten Anschnitt der Kontaktrohre 2 Kontaktmassen verwendet werden. zwischen dem oberen Rohrboden 3 und der obersten

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeich- 45 ringförmigen Umlenkscheibe 7. Nach der Umkehr

nung in mehreren Ausführungsformen beispielsweise der Strömungsrichtung in dem rohrfreien, zentralen

schematisch dargestellt. Teil des Inneiiraumes gelangt das Wärmetausch-

F i g. i zeigt im Längsschnitt einen Reaktion^- mittel dann zwischen der obersten Umlenkscheibe 7 behälter 1, in dem ein ringförmig angeordnetes Bün- und der nächstfolgenden Umlenkscheibe 8 der andel vertikaler Kontaktrohre 2 sich befindet. Die 50 de« en Gruppe radial auswärts bis an den Mantel Kontaktrohre sind mit ihren Enden in einem obe- des Reaktionsbehälters. Diese abwechselnden Einren und einem unteren Rohrboden 3 bzw. 4 abdich- wärts- und Auswärtsströmungen wiederholen sich tend befestigt und münden iii anschließende Hau- noch mehrmals, bis das Wärmetauschmittel am ben 5 bzw. 6. unteren Ende des Reaktionsbehälters 1 durch die

Die Kontaktrohre sind, wie üblich, mit einer 55 Mantelöffnungen 11, die Ringleitung 13 und den

Katalysatormasse gefüllt und werden von einem Rohrstutzen 15 in das Kühlergehäuse 16 eintrtt, um

Reaktionsgas vor oben nach unten oder umgekehrt dort die von den Kontaktrohren 2 aufgenommene

durchströmt. Wärme an die von einem Kühlmitte! durchströmte

Quer zu den Kentaktrohren 2 sind in Abständen Rohrschlange 17 wieder abzugeben,
mehrere horizontale Unrlenkscheiben angeordnet, die 60 Da im oberen Bereich des Reaktionsbehälters in zwei Gruppen 7, 8 abwechselnd in der Mitte und relativ die meiste Wärme anfällt, wird ein Teil des an ihrem Außenrand Durchtrittsquerschnitte frei- Wä^rmetauschmittels nach entsprechender Tempegeben. Außerdem weisen diese Umlenkscheiben an ratursteigerung bereits nach einer inneren Umden Stellen der durch sie hindurchgeführten Kon- lenkung durch die Ringleitung 20 und den Rohrtaktrohre 2 Ringspalte auf, deren Breite und damit 65 stutzen 24 in das Kühlergelläuse 16 zurückgeleitet. Durchtrittsquerschnitt gegebenenfalls etwas unter- Eine weitere Teilmenge wird nach der nächsten schiedlich bemessen ist, um durch die dadurch ver- inneren Umlenkung durch die Ringleitung 21 und ursachten Leckströme eine möglichst gleichmäßige den Rohrstutzen 25 in das Kühlergehäuse 16 zurück-

geleitet, während die restliche Teilmenge im Reale- 44 in drei nicht miteinander verbundene, übereintionsbehälter bis zum unteren Ende verbleibt. Durch anderliegcnde Abschnitte 42', 42", 42'" unterteilt die Regelung der vorher abgezweigten Teilmengen ist. Jeder dieser Abschnitte kann bezüglich der Bcmittels der Drosselorgane 26, 27 kann eine be- triebsweise als Reaktor oder als sonstiger Wärmestimmte Temperaturcharzkteristik des Wärmetausch- 5 tauscher mit eigener Umwälzpumpe und selbständiger mittels in Längsrichtung der Kontaktrohre 2 ent- Regelung für sich betrachtet werden. Im Abschnitt sprechend der von oben nach unten unterschiedlich 42' wird das Wärmetauschmittel im Kreislauf mittels anfallenden Wärme erreicht werden. der Pumpe 45 und über die Ringleitungen 46, 47 Fig. 2 und 3 verdeutlichen im Querschnitt durch umgewälzt. Dieser Abschnitt ist exotherm und hat die Ringleitungen 12,13 und die zugehörigen ringsum io eine niedrigere Temperatur als der benachbarte Abvcrteilien Mantelöffnungen 10, 11 die gleichmäßige schnitt 42". Die Regelung des Abschnittes 42'erfolgt radiale Zu- bzw. Abführung des Wärmetausch- dadurch, daß eine mittels des Regelorgans 48 vermittels, änderbare Teilmenge von relativ kälterem Wärme-Fig. 4 zeigt eine andere Anordnung bezüglich tauschmittci aus dem Abschnitt 42" zugeführt wird, des Umlaufsystems des Wännefauschmittels im «s Die Einstellung des Rcgelorgans 48 erfolgt selbst-Sinne der Erfindung. Es erfolgt außer der Zuführung tätig in Abhängigkeit von der Temperatur an einem des Wärmetauschmittcls über eine am oberen Ende bestimmten Punkt b im Abschnitt 42' des Reaktionsdes Reaktionsbehälters 28 angeordnete Ringleitung behälters. Eine gleich große Teilmenge des Wärme-29 und der Abführung über eine am unteren Ende tauschmittels wird dem Kreislauf des Abschnittes 42' desselben angeordnete Ringleitung 30 sowohl eine 20 über die Leitung 49 entzogen und dem Kreislauf dos zusätzliche Abführung als auch eine zusätzliche Zu- benachbarten Abschnittes 42" im Bereich der zuführung von regelbaren Teilmengen des Wärme- gehörigen Pumpe 50 und der von einem Kühlmittel tauschmittels in verschiedener Höhe zwischen den durchströmten Rohrschlange 51 wieder zugeführt, beiden Enden des Reaktionsbehälters 1 über drei Die Temperaturregelung des in diesem Bereich 42" bzw. zwei Ringleitungen 31, 32, 33 bzw. 34, 35, 25 über die Ringleitung 52 abgeführten und über die deren Anschluß-Rohrstutzen mit Drosselorganen 36 Ringicitung 53 wieder zugeführten Wärmetauschausgerüstet sind. Die beiden zur zusätzlichen Ab- mittels erfolgt durch die mittels des Regelorgans 54 führung von Wärmetauschmitte! dienenden drei veränderbare Kühlmittel-Durchflußmenge in der Ringleitungen 31, 32, 33 sind auf der Saugseite Rohrschlange 51.

einer Umwälzpumpe 37, die zur zusätzlichen Zu- 30 Der Abschnitt 42'" ist endotherm und hat ein führung von Wärmetauschmittel dienenden beiden höheres Temperaturniveau als die anderen beiden Ringleitungen 34, 35 auf der Druckseite einer zwei- Abschnitte 42' und 42". In diesem Fall gibt das ten Umwälzpumpe 38 an je ein Gehäuse 39 bzw. 40 durch die Ringleitung 55 zugeführte und die Ringangeschlossen, leitung 56 abgeführte Wärmetauschmittel, dessen

In dem Gehäuse 39 befindet sich eine von einem 35 Kreislauf durch die Pumpe 57 aufrechterhalten wird. Kühlmittel durchströmte Rohrschlange mit außen- im Bereich des Abschnittes 42'" des Reaktionsliegenden Zu- und Ableitungen, wodurch die vor- behälters Wärme an die Kontaktrohre ab, die ihm wiegend im oberen Bereich des Reaktionsbehälters dann durch ein durch die Rohrschlange 58 strömenzusa'tzlich über di" Ringleitungen 31, 32, 33 abge- des Heizmittel v/ieder zugeführt wird. Die Heizführten Teilmengen des Wärmetauschmitteis gekühlt 40 mitteimenge ist mittels eines Regelorgans 59 vcrwerden, um dann gemeinsam über die oberste Ring- änderbar. Bei dieser Ausführung wird, wie die Pfeilleitung 29 wieder in den Reaktionsbehälter 28 zu- linien erkennen lassen, das Wärmetauschmittel nur rückgeführt zu werden. Mitteis eines Ventils 41 wer- in den Endbcreichcn der Ringkanäle 55, 56 radial den die Kühlmittelmengen und damit die abgeführte zum Kontaktrohrbündel, d. h. in Querrichtung der Wärmemenge in Abhängigkeit von der Temperatur 45 einzelnen Kontaktrohre geführt, während es in dem an einem bestimmten Punkt α im Reaktions- dazwischenliegenden mittleren Bereich parallel zu behälter 28 geregelt. den Kontaktrohren strömt. Ein solcher Strömungs-

Im Bereich der etwa in der Mitte des Reaktions- verlauf wird in an sich bekannter Weise durch An-

behälters 28 und noch weiter unten erfolgenden zu- Ordnung von zwei Umlenkscheiben 60, 61 erreicht,

sät/liehen Zuführung von regelbaren Teilmengen 5° die den mittleren Bereich gegen die beiden End-

des Wärmetauschmittels ist dagegen eine besondere bereiche abgrenzen und zum Unterschied von den

Kühlung nicht erforderlich. Diese erfolgt bereits zwischen zwei benachbarten Radialströmungsberei-

durch die Vermischung des Wärmetauschmittels mit chen angeordneten Umlenkscheiben (in Fig. 1 mit

dem Kreislauf der zusätzlich abgeführten und in 7 bzw. 8 bezeichnet) sich quer durch den ganzen

gekühltem Zustand zurückgeführten Teilmengen. 55 Innenra>':n des Reaktionsbehälters erstrecken und

Dieser Kreislauf wirkt sich nämlich auch auf eine Durchtrittsöffnungen aufweisen, deren Querschnitte

intensive Umwälzung im unteren Bereich des Reak- entsprechend dem Druckgefälle auf der Anström-

tionsbehälters 28 aus. seite der Scheiben im Bereich der einzelnen Kontakt-

Die gewünschte Temperaturcharakteristik des rohre zunehmen, um eine möglichst gleichmäßige

Wärmetauschmittels entlang der (in Fig. 4 nicht 60 Beaufschlagung aller Kontaktrohre zu erreichen,

dargestellten) Kontaktrolle wird durch Einstellen Für den Zu- und Ablauf des Wärmetauschmittels

der Drosselorgane36 im Kreislauf der abgeführten am Reaktionsbehälter 42 sind gemäß Fig. 5 die

und zugeführten Teilmengen erreicht. Diese Drossel- Ringleiiungen 46, 47; 52, 53; 55, 56 innerhalb des

organe können zunächst von Hand eingestellt wer- doppelwandigen Behältermantels untergebracht. Die

den und dann im allgemeinen in einer bestimmten 65 Umienk- und die Trennscheiben sind dabei zur Bc-

Lapc bleiben. grenzung der Ringleitungen bis zur äußeren Wand

F i g. 5 zeigt eine Anordnung, bei welcher der des Behältermantels durchgeführt.

Reaktionsbehälter 42 durch zwei Trennscheiben 43. Aus Fig. 6 ist in einer Einzeldarstellung ersieht-

Hch, wie durch Einwalzen der Kontaktrohre 2 in die Trennscheiben 43, 44 eine gegenseitige Abdichtung der Abschnitte 42', 42" bzw. 42", 42'" erreichbar ist.

Es ist ferner möglich, entsprechend den unterschiedlichen Reaküonsvorgängen in einzelnen Abschnitten innerhalb der Kontaktrohre verschiedene Katalysatoren oder inertmaterialien unterzubringen, die, soweit erforderlich, durch entsprechend über-

einander angeordnete Kontaktrohrverschlüsse voneinander getrennt werden können.

Alle Ausführungen gemäß der Erfindung mit KUhleinrichtungen sind auch bei Reaktionsapparaten für endotherme chemische Prozesse verwendbar. Dann müssen lediglich die Kühler durch Heizeinrichtiingen ersetzt werden, um das Wärmetauschmittel nach der Wärmeabgabe an die Kontaktrohre wieder auf seine ursprüngliche Temperatur zu bringen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

409 650/356

Claims (5)

1. mittel durch den die Kontaktrohre umgebenden Patentansprüche: Raum des Behälters geleitet, um die jeweils nach Art

   des chemischen Prozesses frei werdende oder vcr-

   1 Reaktionsapparat zur Durchführung exo- brauchte Wärme aufzunehmen bzw. zu ergänzen, und endothermer katalytischer Reaktionen mit 5 Dieses Wärmetauschmittel wird nach dem Austritt einem Kontaktrohrbündel und radialer Zu- bzw. aus dem Behälter durch eine Kühl- bzw. Heizeinrich-Abführung eines Wärmetauschmittels über je eine tung wieder auf seine ursprüngliche Temperatur ge-Ringleitung mittels einer Pumpe im Kreislauf über biacht, bevor es im Kreislauf wieder in den Behälter einen außenlicgendcn Wärmetauscher, dadurch eintritt,

   gekennzeichnet, daß in dem Reaktions- io Zur gleichmäßigen äußeren Beaufschlagung der behälter (1; 28; 42) im Längsabstand der Kon- Kontaktrolle durch das Wärmetauschmittel in dem taktrohre (2) in an sich bekannter Weise querlie- axial durchströmten mittleren Bereich hat man Vergende Umlenkscheiben (7, 8) mit abwechselnd tcilerplatten angeordnet, deren Durchtrittsöffnungen am inneren und am äußeren Rand liegenden entsprechend dem Druckhöhenverlust des in den Durchtrittsqtiersohnitten angeordnet sind, daß 15 beiden Endbereichen quer zu den Xontaktrohren, zwischen diesen Umlenkscheiben und den Kon- also parallel zu den Verteilerplatten geführten taktrohren von außen nach innen bzw. von innen Wärmetauschmittels unterschiedlich bemessen sind, nach außen unterschiedlich groß bemessene Spalte Ferner hat man an Stelle der vorwiegenden Längsini Sinne einer annähernd konstanten Radial- strömung auch schon eine vorwiegende Querstiömgeschwindigkeit des Wärmetauschmittels 20 strömung des Wärmetauschmittels mit Bezug auf die ausgebildet sind und wobei ferner mindestens eine Kontaktrohre vorgesehen, und zwar durch Anordweitere Ringleitung (20, 21; 31 bis 35; 47, 52, nung von Umlenkscheiben, die abwechselnd an den S3, 55) zum Zu- bzw. Abführen einer regelbaren gegenüberliegenden Seiten einen Durchtrittsquer-Teilmengc des Wärmetauschmittels an mindestens schnitt frei lassen (deutsche Auslegeschrift 1 039 040). einer Zwischenstelle angeordnet ist. 25 Ein solcher Strömungsverlauf eignet sich aber nicht
2. 2. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch für Reaktionsapparate großer Leistungen, bei denen gekennzeichnet, daß der Reaktionsbehälter (42) wegen der großen Zahl von Kontaktrohren auch durch mindestens eine durchgehende Trenn- das Verhältnis von Durchmesser zur Länge des scheibe (43, 44) in zwei oder mehr Abschnitte Reaktionsbehälters entsprechend groß ist und des-(42', 42", 42'") unterteilt ist, wobei in jedem Ab- 30 halb der Strömungswiderstand für das Wärmetauschschnitt Zu- bzw. Abführungsstellen des Wärme- mittel durch die vielen in jedem Zuge der mehrtauschmittels angeordnet und die Kontaktrohre fachen Umlenkungen quer zu seiner Strömungsrich-(2) gegen die Trennscheiben (43, 44) abgedichtet tung verlaufenden Kontaktrohre vergleichsweise sehr sind. groß ist. Dafür ist nämlich einerseits eine unwirt-
3. 3. Reaktionsapparat nach Anspruch 2, da- 35 schafüich große Umwälzleistung für das Wärmedurch gekennzeichnet, daß für jeden Bereich des tauschmittel erforderlich, andererseits strömt ein durch einen Abschnitt des Reaktionsbehälters unzulässig hoher Teil desselben durch die Spalte (42) geführten Wärmetauschmittels eine beson- zwischen den einzelnen Kontaktrohren und den dere Umwälzpumpe (45; 50; 57) vorgesehen ist. Umlenkscheiben.
4. 4. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch 40 Die Mangel der reinen Querströmung des Wärme-. gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen be- tausehmittels können mit einer Radialströmung vernachbarten Umlenkscheiben (7, 8) in Anpassung mieden werden, bei der das Wärmetauschmittel an die durch jeden Bereich strömenden Mengen innerhalb des Reaktionsbehälters durch Anordnung des Wärmetauschmittels verschieden groß sind. von Umlenkscheiben, die abwechselnd in der Mitte
5. 5. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch 45 und an ihrem äußeren Rand einen Durchtrittsquergekennzeichnet, daß der Mantel des Reaktions- schnitt frei lassen, nacheinander jeweils von außen behälters (42) doppelwandig ist und die beiden nach innen und von innen nach außen geleitet wird. Wände zur Bildung der Ringleitungen (46, 47; Diese Anordnung ist insbesondere für ringförmig 52, 53; 55, 56) dienen. angeordnete Rohrbündel mit einem freien zentralen

   50 Raum geeignet und für Wärmetauscher an sich bekannt (britische Patentschrift 310 157).

   Im Zusammennang mit der KreisLufführung eines

   Wärmetauschmittels über einen außenliegenden

   Wärmetauscher ist bei Rohrbündelapparaten auch

   55 die Anordnung von Ringleitungen an den beiden

   Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktions- Enden des Reaktionsbehälters mit über den ganzen apparat zur Durchführung exo- und endothermer Umfang desselben verteilten öffnungen zur gleichkaialytischer Reaktionen. Eine übliche Bauart sol- mäßigen radialen Zu- bzw. Abführung des Wärmecher Apparate besteht aus einem Behälter, in dem tausehmittels bei dessen axialer Führung im ganzen ein vertikales Kontaktrohrbündel untergebracht ist. 60 mittleren Bereich der Kontaktrohre bekannt Diese Kontaktrohre, die eine Katalysatormasse ent- (deutsche Offenlegungsschrift 1 601 162).
   halten, sind mit ihren Enden in Rohrboden abdich- Bei solchen Reaktionsapparaten wird vielfach an-

   tend befestigt und münden in je eine am oberen gestrebt, die Temperaturdifferenz des Wärmetausch- bzw. unteren Ende mit dem Behälter verbundene mittels sowohl in einem waagerechten Schnitt als Haube. Über diese Hauben wird ein die Kontakt- 6g auch zwischen Ein- und Austritt des ganzen Apparohre durchströmendes Reaktionsgas zu- bzw. ab- rates möglichst konstant zu halten. In speziellen geführt. Fällen ist es nun aber erforderlich, den Temperatur-

   Ferner wird im allgemeinen ein Wärmetausch- verlauf entlang der Kontaktrohre nicht konstant zu