DE2221288B2

DE2221288B2 - Reaktionsapparat zur Durchführung katalytischer Reaktionen in mehreren Stufen

Info

Publication number: DE2221288B2
Application number: DE2221288A
Authority: DE
Inventors: Friedrich 8354 Metten Guetlhuber; Cedomil 8360 Deggendorf Persic; Oskar 8360 Deggendorf Wanka
Original assignee: Deggendorfer Werft und Eisenbau 8360 Deggendorf GmbH
Current assignee: Deggendorfer Werft und Eisenbau 8360 Deggendorf GmbH
Priority date: 1972-04-29
Filing date: 1972-04-29
Publication date: 1974-08-15
Also published as: IT982833B; DE2221288A1; GB1415452A; FR2183007A1; JPS5246188B2; FR2183007B1; US3898295A; ATA268773A; DE2221288C3; JPS4948567A; BE798714A; NL7304917A; AT330733B

Description

2. Reaktionsapparat nach Anspruch 1 dadurch ge- Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist je kennzeichnet, daß jedem Wärmetauscher (12a bis 30 dem Wärmetauscher eine eigene Umwälzpumpe zu-12e) eine eigene Umwälzpumpe (13a bis 13e) zu- geordnet; zusätzlich zu diesen Pumpen oder gegebegeordnet ist. nenfalls anstatt derselben kann in der Vorlaufleitung

3. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch des für alle Stufen gemeinsamen Umwälzsystems eine gekennzeichnet, daß in der Vorlaufleitung (15) des Hauptumwälzpumpe angeordnet sein.

für alle Stufen gemeinsamen Umwälzsystems eine 35 Ferner kann das für alle Stufen gemeinsame Um-Hauptumwälzpumpe (22) angeordnet ist wälzsystem aus zwei parallelgeschalteten Vorlauflei

4. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch tungen mit je einer Umwälzpumpe und einer Rücklaufgekennzeichnet, daß das für alle Stufen ,gemeinsame leitung bestehen, wobei nur in der einen Vorlaufleitung Umwälzsystem aus zwei parallelgeschaiteten Vor- ein Hauptwärmetauscher angeordnet ist und wobei beilaufleitungen (15, 15') mit je einer Umwälzpumpe 40 de Vorlaufleitungen über Zweigleitungen und Dreiwe-(23, 23') und einer Rücklaufleitung (18) besteht, wo- ge-Regclorgane an die einzelnen Wärmetauscher jeder bei nur in der einen Vorlaufleitung ein Hauptwär- Stufe angeschlossen sind.

metauscher (24) angeordnet ist und wobei beide Mit einem im Sinne der Erfindung ausgebildeten

Vorlaufleitungen über Zweigleitungen (16a bis 16e; Reaktionsapparat ist es auch bei mehrstufigen Reak-25a bis 25e) und Dreiwege-Regelorgane (26a bis 45 tionsvorgängen möglich, nachteilige Folgen einer uner-26e) an die einzelnen Wärmetauscher (12a bis 12e) warteten Temperaturveränderung des zuströmenden jeder Stuf«· angeschlossen sind. Reaktionsgases zu vermeiden. Derartige Temperatu

ränderungen werden mittels automatisch gesteuerter Regelorgane korrigiert, die jedem Wärmetauscher zu-50 geordnet sind und dafür sorgen, daß zwecks stärkerer oder schwächerer Beeinflussung des aus dem vorhergehenden Katalysatorbett kommenden Reaktionsgases ein größerer bzw. kleinerer Teilstrom aus dem gemeinsamen Umwälzsystem in die Kreisläufe der einzelnen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktionsappa- 55 Wärmetauscher abgezweigt wird, rat zur Durchführung exothermer oder endothermer In diesem Zusammenhang wird der Temperaturchemischer Prozesse in mehreren Stufen, wobei der unterschied zwischen dem Reaktionsgas und dem Katalysator in mehreren Schichten angeordnet ist, die durch die einzelnen Wärmetauscher geführten Wärmeim Abstand voneinander liegen und nacheinander von träger zweckmäßig gering gehalten, um etwaige Temeinem Reaktionsgas durchströmt werden, und wobei 60 peraturunterschiede des Reaktionsgases im Bereich jeder Katalyssitorschicht ein Wärmetauscher mit quer eines Querschnittes des Reaktionsbehälters möglichst zur Strömung des Reaktionsgases liegendem Rohrsy- auszugleichen. Zu diesem Zweck sind auch die Rohrstem nachgeschaltet ist. bündelflächen der einzelnen Wärmetauscher ausrei-

Bei derartigen, zum Unterschied von den sonst QbIi- chend zu bemessen, um in dem ganzen Wärmetauschchen Röhrenreaktoren als Hordenreaktoren bezeich- 65 system eine genügende Trägheit gegen plötzlich an irneten Reaktionsapparaten hat man die einzelnen War- gendeiner Stelle auftretende Temperaturänderungen metauscher entweder hintereinandergeschaltet (DT-PS zu gewährleisten. 686) oder parallel zueinander geschaltet (DT-PS Diese Forderung kann erfüllt werden, wenn man bei

der Auslegung der Kühlfläche folgende zwei Bedingungen berücksichtigt:

A₁ ^ Jf₂

Dabei bedeuten f bzw. f die kleinste bzw. größte, in dem gerade betrachteten Reaktorquerschnitt senkrecht auf die Strömungsrichtung des Reaktionsgases aufgetretene Gastemperatur (vgl. F i g. 4).

Der Gegenstand der Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise dargestellt. Es zeigt _1S

F i g. 1 eine für einen exothermen Reaktionsvorgang bestimmte Ausführungsform des Reaktionsapparates in Draufsicht,

F i g. 2 ein Schaltschema,

F i g. 3 ein anderes Schaltschema. _ao

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Temperaturverhältnisse des Reaktionsgases.

Der in diesem Fall liegend angeordnete Reaktionsbehälter hat rechteckigen Querschnitt mit seitlichen Mantelblechen 4. _aj

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 querliegende Kästen 11* bis lie 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 12a bis 12e angeordnet, deren Rohre sich ebenfalls über den ganzen Querschnitt des Reaktionsbehälters erstrecken.

Jeder Kühler ist mit einer eigenen Pumpe 13a bis 13e und mit einem ihm vorgeschalteten Ventil 14a bis 14e ausgerüstet, das sich in je einer von einer gemeinsamen Vorlaufleitung 15 ausgehenden Zweigleitung 16a bis 16e befindet. Je eine andere Zweigleitung 17a bis 17e führt vow dem an die Pumpen 13a bis 13e saugseitig angeschlossenen Austrittsende der Kühler 12a bis 12e zu einer gemeinsamen Rücklaufleitung 18.

Die Rücklaufleitung 18 und die Vorlaufleitung 15 bilden zusammen mit einem dazwischengeschalteten Hauptwärmetauscher, zu dem in zwei in einem Gehäuse 19 angeordnete Rohrbündel 20, 21 gehören, und einer ebenso in diesem Gehäuse untergebrachten Hauptumwälzpumpe 22 ein gemeinsames Umwälzsystern für jeweils einen rückzukühlenden Teilstrom des in den einzelnen Kühlern erwärmten Kühlmittels.

Die Erwärmung des Kühlmittels erfolgt durch das die Kühler 12a bis 12e quer durchströmende Reaktionsgas, das vorher beim Durchströmen je eines Katalysa- Jorkastens Ha bis Ue infolge des dabei eintretenden Reaktionsvorganges etwas erwärmt worden ist und dann in je einem nachgeschalteten Kühler wieder etwas 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 die einzelnen, durch Temperaturfühler automatisch einstellbaren Ventile 14a bis 14e, mit denen die Zulaufteilmengen des aus der Vorlaufleitung 15 abgezweigten rückgekühlten 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 Reaktionsgas und einem abführbaren Wärmeanfall 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 verglcichweise geringen Leistungsbedarf für das gemeinsame Umwälzsystem wegen der sich nur auf geringe Teilmengen beziehenden Rückkühlung des Kühlmittels.

Die einzelnen Kästen lla bis He können nicht nur verschiedene Kata'.ysatormengen, sondern auch verschiedene Katalysatorarten enthalten. Außerdem können die Kästen durch Anordnung von (in der Zeichnung nicht besonders dargestellten) abnehmbaren Dekkeln an den betreffenden Stellen des Reaktionsbehälters zum Auswechseln verbrauchter Katalysatormasse leicht herausgenommen werden.

Gemäß F i g. 2 sind die zu jedem der Kühler 12a bis 12e gehörenden Ventile 14a bis 14e, die zur Regelung der aus den einzelnen Kühlerkreisläufen abzuführenden und in dem gemeinsamen Hauptwärmetauscher 19' rückzukühlenden Teilmengen des Kühlmittels dienen, zum Unterschied von der Ausführung nach F i g. 1 nicht in die von der gemeinsamen Vorlaufleitung 15 ausgehenden Zweigleitungen 16a und 16e, sondern in die zur gemeinsamen Rücklaufleitung 18 führenden Zweigleitungen 17a bis 17e eingeschaltet. Der Vorteil dieser Schaltung besteht in dem Wegfall der gemeinsamen Hauptumwälzpumpe gemäß Fig. 1, die hierbei dadurch entbehrlich ist, daß nur die von der Vorlaufleiluiig 15 ausgehenden Zweigleitungen 16a bis 16e saugseitig, die in die Rücklaufleitung 18 mündenden Zweigleitungen 17a bis 17e dagegen druckseitig an die einzelnen Pumpen 13a bis 13e angeschlossen sind.

Gemäß F i g. 3 mündet die gemeinsame Rücklaufleitung 18 in zwei parallelgeschaltete Vorlaufleitungen 15, 15' mit je einer Pumpe 23, 23'. In der einen Vorlauf leitung 15' befindet sich ein Wärmetauscher 24. Von beiden Vorlaufleitungen 15,15' führen Zweigleitungen 16a bis 16ebzw. 25a bis 25e zu den einzelnen Kühlern 12a bis 12e, deren Austrittsleitungcn 17a bis 17e an die Rücklaufieitung 18 angeschlossen sind. Das Verhältnis der gekühlten und ungekühlten Teilmengen des den Kühlern zugeführten Kühlmittels wird durch Dreiwegeventile 26a bis 26e geregelt, die ebenso wie die Ventile 14a bis 14e gemäß den F i g. 1 und 2 durch Tempe raturfühler automatisch eingestellt werden. Eine solch« Schaltung eignet sich, wenn die Temperaturen der ein zelnen Stufenkreisläufe nur wenig voneinander abwei chen.

Ein Reaktionsapparat gemäß der Erfindung kanr grundsätzlich auch für endotherme chemische Prozesse verwendet werden; dabei werden im wesentlichen nui

die Kühler für das Reaktionsgas durch entsprechende Aufheizer in Verbindung mit den zugehörigen Hilfseinrichtungen ersetzt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

946 342; G m e 1 j η s Handbuch, Nr. 9, S. 391,Fi g. 59). Patentansprüche: In beiden Fällen wird bei jedem Wärmetauscher je weils die ganze zugehörige Menge des Warmetausch-

1. Reaktionsapparat zur Durchführung von kata- mittels zu- und wieder abgeführt. Solche Reaktionsaplytischen Reationen in mehreren Stufen, wobei der 5 parate wurden jedoch bisher nur für kleinere Einheiten Katalysator Sn Schichten angeordnet ist, die im Ab- und relativ unempfindliche Prozesse angewandt. Bei stand voneinander liegen und nacheinander vom temperaturempfindlichen exothermen Reaktionen be-Reaktionsgas* durchströmt werden, und wobei jeder steht dageben die Gefahr des Durchgehens; das gilt be-Katalysatorschicht ein Wärmetauscher mit quer zur sonders bei Reaktionsvorgängen unter Verwendung Strömung des Reaktionsgases liegenden Rohrsy- io von organischen Stoffen (Herstellung von Phthalsäure, stern nachgeschaltet ist, dadurch gekenn- Maleinsäure usw.).

zeichnet, daß die Wärmetauscher (12a bis He), Um nun auch für solche Verhältnisse einen betriebs-

die sich zwischen den in herausnehmbaren Kästen sicher arbeitenden Hordenreaktor zu schaffen, besteht (11a bis lie) untergebrachten Katalysatorschichten die Erfindung darin, daß die Wärmetauscher, die sich befinden, unter Verwendung eines Wärmeträgers 15 zwischen den in herausnehmbaren Kästen untergemit einer, bezogen auf den normalen Druck, über brachten Katalysatorschichten befinden, unter Verwen-100⁰C liegenden Verdampfungstemperatur an ein dung eines Wärmeträgers mit einer, bezogen auf den gemeinsames, aus einer Vorlauf- und einer Rück- normalen Druck, über 100⁰C liegenden VerdampfungslaufJeitung (15, IS) und einem zugehörigen Haupt- temperatur an ein gemeinsames, aus einer Vorlauf- und wärmetauscher (20; 21) bestehendes Umwälzsystem ao einer Rücklaufleitung und einem zugehörigen Hauptderart angeschlossen sind, daß die Hauptmenge des wärmetauscher bestehendes Umwälzsystem derart an-Wärmeträgers mittels Pumpwirkung bei annähernd geschlossen sind, daß die Hauptmenge des Wärmeträgleichbleibender Temperatur ständig im Kreislauf gers mittels Pumpwirkung bei annähernd gleichbleider einzelnen Wärmetauscher umgewälzt wird, bender Temperatur ständig im Kreislauf der einzelnen während nur eine relativ geringe Teilmenge aus je- 35 Wärmetauscher umgewälzt wird, während nur eine re dem Wärmetauscher in das gemeinsame Rückkühl- lativ geringe Teilmenge aus jedem Wärmetauscher in system abgezweigt und anschließend wieder züge- das gemeinsame Rückkühlsystem abgezweigt und anführt wird. schließend wieder zugeführt wird.