DE2221288A1 - Reaktionsapparat zur durchfuehrung katalytischer reaktionen in mehreren stufen - Google Patents

Reaktionsapparat zur durchfuehrung katalytischer reaktionen in mehreren stufen

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Description

DEGGENDORFER WERFT UND Stichwort: ''Mehrstufen-Reaktor" EISENBAU, GES.M.B.H. Q360 Deggendorf /DonaUj den 25.4.1972
Reaktionsapparat zur Durchführung katalytischer Reaktionen in mehreren Stufen
Reaktionsapparate zur Durchführung exothermer oder endothermer chemischer Prozesse sind vorwiegend als Röhrenreaktoren ausgebildet, bei denen der von einem Reaktionsgas zu durchströmende Katalysator sich in Kontaktrohren befindet. Um diebei einem exothermen Reaktionsvorgang entstehende Wärme gut abführen zu können, ist eine verhältnismässig grosse Rohroberfläche erforderlich; infolgedessen müssen für grössere Leistungen sehr viele, d.h. einige Tausend Rohre angeordnet werden,- dieaussenseitig von einem Wärmetauschmittel, z.B. einer Salzschmelze,beaufschlagt werden. Diese Kontaktrohre beanspruchen einen verhältnismässig grossen Gesamtquerschnitt, so dass sich unter Berücksichtigung auch der erforderlichen gegenseitigen Rohrabstände sehr grosse Abmessungen für den Reaktionsbehälter ergeben.
Die grundsätzlichen Mängel derartiger Röhrenreaktoren bestehen einerseits in dem langwierigen Entleeren der Kontaktrohre von dem verbrauchten Katalysator und dem anschlieesenden Wiedereinfüllen frischen Katalysators, wodurch teilweise wochenlage Betriebsunterbrechungen be-
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dingt sind, andererseits in der Leistungsbegrenzung, weil sich wegen der Transportmöglichkeit eine beliebige Vergrösserung der Rohrzahl und damit des Reaktionsbehälters aus volumen- und gewichtsmässigen Gründen verbietet.
Ferner gibt es eine als Hordenreaktoren bezeichnete Bauart von Reaktionsapparaten, bei welcher der Katalysator in mehreren Kästen untergebracht ist, die nacheinander - also in mehreren Stufen - von dem Reaktionsgas durchströmt werden. Diese Art wurde bisher nur für kleinereEinheitenund unempfindliche Prozesse angewandt, da die Gefahr des Durchgehens sehr gross ist, was vor allem bei temperaturempfindlichen, exothermen Reaktionen zutrifft, wenn organische Stoffe zur Reaktion gebracht werden (Herstellung von Phthalsäure, Maleinsäure usw.).
Um die letztgenannten Mängel zu vermeiden, besteht die sich auf einen derartigen mehrstufen Reaktionsapparat beziehende Erfindung darin, dass in einem Reaktionsbehälter mehrere, mit einem Katalysator gefüllte und von einem Reaktionsgas nacheinander durchströmte Kästen auswechselbar in Abständen angeordnet sind, wobei jedem Kasten ein Wärmetauscher für das Reaktionsgas nachgeschaltet ist, und zwar unter Verwendung eines Wärmeträgers mit einer über
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100° C liegenden Verdampfungstemperatur, bezogen auf den. normalen Druck, dass ferner alle Wärmetauscher an ein gemeinsames, aus einer Vorlauf- und einer Rücklaufleitung und einem zugehörigen Hauptwärmetauscher bestehendes Umwälzsystem für je einen regelbaren Teilstrom der in den einzelnen Wärmetauschern jeder Stufe umgewälzten Wärmeträgermenge durch Zweigleitungen angeschlosssensind.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist jedem Wärmetauscher eine eigene Umwälzpumpe zugeordnet; zusätzlich zu diesen Pumpen oder gegebenenfalls anstatt derselben kann in dem für alle Stufen geraeinsamen Umwälzsystem eine Hauptumwälzpumpe angeordnet sein.
Ferner kann das für alle Stufen gemeinsame Umwälzsystem aus zwei parallelgeschalteten Vorlaufleitungen mit je einer Umwälzpumpe und einer Rücklaufleitung bestehen, wobei nur in der einen Vorlaufleitung ein Hauptwärmetauscher angeordnet ist und wobei beide Vorlaufleitungen über Zweigleitungen und Dreiwege-Regelorgane an die einzelnen Wärmetauscher jeder Stufe angeschlossen sind.
Um einen solchen Reaktionsapparat verschiedenartigen Reaktionsvorgängen und Betriebsbedingungen leicht anpassen zu können, empfehlen sich noch einige sonstige,
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einzeln oder gemeinsam durchzuführende Massnahmen,nämlich
dass die Wärmetauscher ausbaubare Rohrbündel enthalten,
dass der Reaktionsbehälter im Bereich jedes mit Katalysator gefüllten Kastens einen abnehmbaren Deckel zum Herausnehmen des betreffenden Kastens aufweist,
dass die einzelnen Kästen verschiedene Katalysatormengen enthalten und
dass die einzelnen Kästen verschiedene Katalysatorarten enthalten.
Mit einem im Sinne der Erfindung ausgebildeten Reaktionsapparat ist es auch bei mehrstufigen Reaktionsvorgängen möglich, nachteilige Folgen einer unerwarteten Tempera turänderung des zuströmenden Reaktionsgases zu vermeiden. Derartige Temperaturänderungen werden mittels der dadurch automatisch gesteuerten Regelorgane korrigiert, die jedem Wärmetauscher zugeordnet sind und dafür sorgen, dass zwecks stärkerer oder schwächerer Beeinflussung des aus dem vorhergehenden Katalysator-· bett kommenden Reaktionsgases ein grösserer bzw. kleinerer Teilstrom aus dem gemeinsamen Ümwälzsystem in die Kreisläufe der einzelnen Wärmetauscher abgezweigt wird.
In diesem Zusammenhang wird der Temperaturunterschied zwischen dem Reaktionsgas und dem durch die einzelnen
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_ 5 —
Wärmetauscher geführten Wärmeträger zweckmässig gering gehalten, um etwaige Temperaturunterschiede des Reaktionsgases im Bereich eines Querschnittes des Reaktionsbehälters nicht noch grosser werden zu lassen, sondern möglichst auszugleichen. Zu diesem Zweck sind auch die Rohrbund elflachen der einzelnen Wärmetauscher ausreichend zu bemssen, um in dem ganzen Wärmetauschsystem eine genügende Trägheit gegen plötzlich an irgendeiner Stelle auftretende Temperaturänderungen zu gewährleisten.
Diese Forderung kann erfüllt werden, wenn man bei der Auslegung der Kühlfläche folgende zwei Bedingungen berücksichtigt:
D Δ U*Atz
2)
Dabei bedeuten t bzw. t' die kleinste bzw. grösste, in dem gerade betrachten Reaktorquerschnitt senkrecht auf die Strömungsrichtung des Reaktionsgases aufgetretene Gasteraperatur (vgl. Mg. 6).
Es wurde hier angenommen, dass die Temperatur des Wärmeträgers in einem Wärmeaustauscher über den gesamten Kühlerquerschnitt konstant bleibt.
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Bei der vorliegenden Konstruktion ist diese Annahme gerechtfertigt, da sich durch die Ausbildung der Wärmetauscher und durch die hohe mögliche Umwälzmenge (z.B. in der Gros sen Ordnung von 10.000 nr/h" eine vernachlässigbar kleine Temperatüränderung über den Kühlerquerschnitt ergibt.
Der Gegenstand der Erfindung ist auf der Zeichnung beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Pig. 1 eine für einen exothermen Reaktionsvorgang bestimmte Ausführungsform des Reaktionsapparates in Draufsicht,
Fig. 2 einen Schnitt in der Ebene II-II,
Fig. 3 eine Stirnansicht bzw. einen Schnitt nach der gebrochenen Linie III-III,
Fig. 4 ein FchaItschema,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Temperaturverhältnisse des Reaktionsgases,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Temperaturverhältnisse des Reaktionsgases.
Der in diesem Fall liegend angeordnete Reaktionsbehälter hat einen rechteckigen Querschnitt mit einem unteren
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Mantelblech 1, einem oberen Mantelblech 2 und zwei seitlichen Mantelblechen 3, 4. An seinen beiden Enden befinden sich Rohrstutzen 5, 6, die in stirnseitige Endbleche 7, 8 und im Abstand davon liegende Stützbleche 9, 10 eingeschweisst sind.
Innerhalb des Reaktionsbehälters sind über seine Länge verteilt fünf qüerliegende Kästen 11 a - 11 e angeordnet, die einen Katalysator enthalten. Die Durchtrittshöhen der einzelnen Katalysatorbetten können, je nach der besonderen Art eines Reaktionsvorganges, gleich oder auch verschieden sein. Hinter jedem dieser Kästen - in der Durchströmrichtung des durch den einen Rohrstutzen 5 eintretenden und durch den anderen Rohrstutzen 6 austretenden Reaktionsgases gesehen, sind die als Wärmetauscher dienenden Kühler 12 a - 12 e angeordnet, deren Rohre sich ebenfalls über den ganzen Querschnitt des Reaktionsbehälters erstrecken.
Jeder Kühler ist mit einer eigenen Pumpe 13 a - 13 e in je einem besonderen Gehäuse 13'a - 13'e (Fig. 2) und mit einem ihm vorgeschalteten Ventil 14a - 14e ausgerüstet, das sich in je einer von einer gemeinsamen Vorlaufleitung 15 ausgehenden Zweigleitung 16 a 16 e befindet. Je eine andere Zweigleitung 17 a - 17 e fuhrt von dem an die Pumpen 13 a - 13 e saugseitig angeschlossenen Austrittsende der Kühler 12 a - 12 e zu
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— R —
einer gemeinsamen Rücklaufleitung 18.
Die Rücklaufleitung 18 und die Vorlaufleitung 15 bilden zusammen mit einem dazwischen geschalteten Hauptwärmetauscher, zu dem zwei in einem Gehäuse 19 angeordnete Rohrbündel 20, 21 gehören, und einer ebenso in diesem Gehäuse untergebrachten Hauptumwälzpumpe ein gemeinsames Umwälzsystem für jeweils einen rückzukühlenden Teilstrom des in den einzelnen Kühlern erwärmten Kühlmittels.
Die Erwärmung des Kühlmittels erfolgt durch das die Kühler 12 a - 12 e quer durchströmende Reaktionsgas, das vorher beim Durchströmen je eines Katalysatorkastens 11 a - 11 e infolge des dabei eintretenden Reaktionsvorganges aufgeheizt worden ist und dann in je einem nachgeschalteten Kühler wieder abgekühlt wird.
Da sich die Temperaturverhältnisse im Bereich jeder Reaktionsstufe in unvorhergesehener Weise ändern können, muss durch eine entsprechende Regelung im Bereich jedes nachgeschalteten Kühlers dafür gesorgt werden, dass das Reaktionsgas vor dem Eintritt in die nächste Reaktionsstufe eine annähernd gleichbleibende Temperatur hat. Dazu dienen dieeinzelnen, durch Temperaturfühler automatisch einstellbaren Ventile 14 a - 14 e, mit denen die Zulaufteilmengen des aus der Vorlaufleitung 15 abgezweigten rückgekühl-
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ten Kühlmittels zu jedem Kühler geregelt werden. So lässt sich eine ungünstige Auswirkung einer irgendwo eintretenden unerwünschten Änderung der Temperaturverhältnisse auf die nachfolgenden Bereiche des ganzen Apparates vermeiden.
Weitere Vorteile eines gemäss der Erfindung ausgebildeten Reaktionsapparates "bestehen in der Möglichkeit sehr hoher Leistungen, z.B. einer Durchsatzmenge in der Grössenordnung von 800.000 kg/h Reektionsgas und einem abführbaren Wärmeanfa-ll von 60 Mio kcal/h, ferner in vergleichsweise geringen Antriebsleistungen für die Kompressoren zum Verdichten des Reaktionsgases wegen der geringen Tiefen und des dadurch bedingten geringen Strömungswiderstandes der Katalysatorschichten sowie in dem ebenfalls vergleichsweise geringen Leistungsbedarf für das gemeinsame Umwälzsystem wegen der sich nur auf Teilmengen beziehenden Rückkühlung des Kühlmittels.
Die einzelnen Kästen 11 a - 11 e können nicht nur verschiedene Katalysatormengen, sondern auch verschiedene Katalysatorarten enthalten. Ausserdem können die Kästen durch Anordnung von (in der Zeichnung nicht besonders dargestellten) abnehmbaren Deckeln an den betreffenden Stellen des Reaktionsbehälters zum Auswechseln verbrauchter Katalysatormasse leicht herausgenommen werden.
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Geniäss Fig. 4 sind die zu jedem der Kühler 12 a - 12 e gehörenden Ventile 14 a - 14 e, die zur Regelung der aus den einzelnen Kühlerkreisläufen abzuführenden und in dem gemeinsamen Hauptvärmetauscher 19' rückzukühlenden Teilmengen des Kühlmittels dienen, zum Unterschied von derAusführung nach Pig. I nicht in die von der gemeinsamen Vorlaufleitung 15 ausgehenden Zweigleitungen 16 a - 16 e, sondern in die zur gemeinsamen Rücklaufleitung 18 führenden Zweigleitungen 17 a - 17 e eingeschaltet. Der Vorteil dieser Schaltung besteht in dem Wegfall der gemeinsamen Hauptumwälzpumpe gemäss Pig. 1, die hierbei dadurch entbehrlich ist, dass nur die von der Vorlaufleitung ausgehenden Zweigleitungen 16 a - 16 e saugseitig, die in die Rücklaufleitung 18 mündenden Zweigleitungen 17 a - 17 e dagegen druckseitig an die einzelnen Pumpen 13 a - 13 e angeschlossen sind.
Gemäss Pig. 5 mündet die gemeinsame Rücklauf leitung in zwei parallelgeschaltete Vorlaufleitungen 15, 15' mit je einer Pumpe 23, 23'. In der einen Vorlaufleitung 15' befindet sich ein Wärmetauscher 24. Von beiden Vorlaufleitungen 15, 15' führen Zweigleitungen 16 a - 16 e bzw. 25 a - 25 e zu den einzelnen Kühlern 12 a - 12 e, deren Austrittsleitungen 17 a - 17 e an die Rücklaufleitung 18 angeschlossen sind. Das Verhältnis der gekühlten und ungekühlten Teilmengen des den Kühlern zugeführten Kühlmittels wird durch Dreiwegeventile 26a - 26e geregelt, die ebenso wie die Ventile 14a - 14e ge mäss den Pig. I und Pig. 4 durch Temperaturfühler automatisch eingestellt werden.Eine solche Schaltung eignet 309846/1009
sich, wenn die Temperaturen der einzelnen Stufenkreisläufe nur wenig voneinander abweichen.
Ein Reaktionsapparat gemass der Erfindung kann grundsätzlich auch für endotherme chemische Prozesse verwendet werden; dabei werden im wesentlichen nur die Kühler für das Reaktionsgas durch entsprechende Aufheizer in Verbindung mit den zugehörigen Hilfseinrichtungen ersetzt.
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Claims (8)

Patentansprüche:
1. Reaktionsapparat zur Durchführung von katalytischen Reaktionen in mehreren Stufen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Reaktionsbehälter (1-4) mehrere, mit einem Katalysator gefüllte und von einem Reaktionsgas nacheinander durchströmte Kästen (lla-lle) auswechselbar in Abständen angeordnet sind, wobei jedem Kasten ein Wärmetauscher (12a-12e) für das Reaktionsgas nachgeschaltet ist, und zwar unter Verwendung eines Wärmeträgers mit einer über 100° C liegenden Verdampfungstemperatur, bezogen auf den normalen Druck, dass ferner alle Wärmetauscher an ein gemeinsames, aus einer Vorlauf- und einer Rücklaufleitung (15; 18) und einem zugehörigen Hauptwärmetauscher (20, 21) bestehendes Umwälzsystem für je einen regelbaren Teilstrom der in den einzelnen Wärmetauschern jeder Stufe umgewälzten Wärmeträgermenge durch Zweigleitungen (16a-16e; 17a-17e) angeschlossen sind.
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2. Reaktionsäpparat nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, dass jedem Wärmetauscher (12a-12e) eine eigene Umwälzpumpe (I3a-13e) zugeordnet ist.
3. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorlaufleitung (15) des für alle Stufen gemeinsamen Uniwälzsystems eine Hauptumwälzpumpe (22) angeordnet ist.
4. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das für alle Stufen gemeinsame Um-. wälzsystem aus zwei parallelgeschalteten Vorlaufleitungen (15, 15') mit je einer Umwälzpumpe (23, 23') und einerfeücklaufleitung (18) besteht, wobei nur in der einen Vorlaufleitung ein Hauptwärmetauscher (24) angeordnet ist und wobei beide Vorlaufleitungen über Zweigleitungen (16a-16e; > 25a-25e) und Dreiwege-Regelorgane (26a-26e) an die einzelnen Wärmetauscher (12a-12e) jeder Stufe angeschlossen ist.
5. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (12a-12e) ausbaubare Rohrbündel enthalten.
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6. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbehälter im Bereich jedes mit Katalysator gefüllten Kastens(lla-lle) einen abnehmbaren Deckel zum Herausnehmen des betreffenden Kastens aufweist.
7. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kästen (lla-lle)
verschiedene Katalysatormengen enthalten.
8. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kästen (lla-lle)
verschiedene Katalysatorarten enthalten.
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