DE2221288C3

DE2221288C3 - Reaktionsapparat zur Durchführung katalytischer Reaktionen in mehreren Stufen

Info

Publication number: DE2221288C3
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: 1975-04-17
Also published as: IT982833B; DE2221288A1; GB1415452A; FR2183007A1; JPS5246188B2; FR2183007B1; US3898295A; ATA268773A; JPS4948567A; BE798714A; NL7304917A; DE2221288B2; AT330733B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktionsapparat zur Durchführung exothermer oder endothermer chemischer Prozesse in mehreren Stufen, wobei der Katalysator in mehreren Schichten angeordnet ist, die im Abstand voneinander liegen und nacheinander von einem Reaktionsgas durchströmt werden, und wobei jeder Katalysatorschicht ein Wärmetauscher mit quer zur Strömung des Reaktionsgases liegendem Rohrsystem nachgeschaltet ist.

Bei derartigen, zum Unterschied von den sonst üblichen Röhrenreaktoren als Hordenreaktoren bezeichneten Reaktionsapparaten hat man die einzelnen Wärmetauscher entweder hintereinandergeschaltet (OT-PS 686) oder parallel zueinander geschaltet (DTPS 946 342-, G m e I i π s Handbuch, Nr. 9. S. 391. F i g. 59). In beiden Fällen wird bei jedem Wärmetauscher jeweils die ganze zugehörige Menge des Wärmetauschnvttels. zu- und wieder abgeführt. Solche Reaktionsapparate wurden jedoch bisher nur für kleinere Einheiten und relativ unempfindliche Prozesse angewandt. Bei temperaturempfindlichen exothermen Reaktionen besteht dagcben die Gefahr des Durchgehens: das gilt besonders bei Reaktionsvorgängen unter Verwendung

ίο von organischen Stoffen (Herstellung von Phthalsäure, Maleinsäure usw.).

Um nun auch für solche Verhältnisse einen betriebssicher arbeitenden Hordenreaktor zu schaffen, besteht die Erfindung darin, daß die Wärmetauscher, die sich

»5 zwischen den in herausnehmbaren Kästen untergebrachten Katalysatorschichten befinden, unter Verwendung eines Wärmeträgers mit einer, bezogen auf den normalen Druck, über 100⁰C liegenden Verdampfungsicmperatur an ein gemeinsames, aus einer Vorlauf- und

ao einer Rücklaufleitung und einem zugehörigen Haupt wärmetauscher bestehendes Umwälzsystem derart angeschlossen sind, daß die Hauptmenge des Wärmeträgers mittels Pumpwirkung bei annähernd gleichbleibender Temperatur ständig im Kreislauf der einzelnen

»5 Wärmetauscher umgewälzt wird, während nur eine relativ geringe Teilmenge aus jedem Wärmetauscher in das gemeinsame Rückkühlsystem abgezweigt und anschließend wieder zugeführt wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist je-

3» dem Wärmetauscher eine eigene Umwälzpumpe zugeordnet: zusätzlich zu diesen Pumpen oder gegebenenfalls anstatt derselben kann in der Vorlaufleitung des für alle Stufen gemeinsamen Umwälzsystcms eine Hauptumwälzpumpe angeordnet sein.

Ferner kann das für alle Stufen gemeinsame Umwälzsystem aus zwei parallelgeschalteien Vorlaufleitungen mit je einer Umwälzpumpe und einer Rücklaufleitung bestehen, wobei nur in der einen Vorlaufleitung ein Hauptwärmctauscher angeordnet ist und wobei beide Vorlaufleitungen über Zweigleitungen und Drciwegc-Regelorgane an die einzelnen Wärmetauscher jeder Stufe angeschlossen sind.

Mit einem im Sinne der Erfindung ausgebildeten Reaktionsapparat ist es auch bei mehrstufigen Reaktionsvorgängen möglich, nachteilige Folgen einer unerwarteten Temperaturveränderung des zuströmenden Rcaklionsgases zu vermeiden. Derartige Temperaturanderungen werden mittels automatisch gestcuertci Regclorgane korrigiert, die jedem Wärmetauscher zugeordnet sind und dafür sorgen, daß zwecks stärkerei oder schwächerer Beeinflussung des aus dem vorhergc henden Katalysatorbett kommenden Reaktionsgase! ein größerer bzw. kleinerer Teilstrom aus dem gemein samen Umwälzsystem in die Kreisläufe der einzxlner Wärmetauscher abgezweigt wird.

In diesem Zusammenhang wird der Temperatur unterschied zwischen dem Reaktionsgas und den durch die einzelnen Wärmetauscher geführten Wärme träger zweckmäßig gering gehalten, um etwaige Tem peraturunierschiede des Reaktionsgases im Bcreicl eines Querschnittes des Reaktionsbehälters möglichs auszugleichen. Zu diesem Zweck sind auch die Rohr bündelflächen der einzelnen Wärmetauscher ausre chcnd zu bemessen, um in dem ganzen Wärmetausch system eine genügende Trägheit gegen plötzlich an ii gcndeiner Stelle auftretende Temperaluränderunge zu gewährleisten.

Diese Forderung kann erfüllt werden, wenn man b<

jcr Auslegung der Kühlfläche folgende zwei Bedingungen berücksichtigt:

Δι, έ Δι₂

¹A₁

¹A₂

Dabei bedeuten t bzw. ι' die kleinste bzw. größte, in dem gerade betrachteten Reaktorquerschnitt senkrecht auf die Strömungsrichtung des Reakiionsgas.es aufgetretene Gastemperatur (vgl. F i g. 4).

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

F i g. 1 eine für einen exothermen Reaktionsvorgang bestimmte Ausführungsform des Reakt'onsappanucs in Draufsicht.

F i g. 2 ein Schaltschema,

I 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. as

An seinen beiden Enden befinden sich Rohrstutzen 5, 6, die in stirnseitige Lndbleche 7, 8 und im Abstand davon liegende Stützbleche 9,10 eingeschweißt -and.

Innerhalb des Reaktionsbehälters sind über seine Länge verteilt fünf querliegcnde Kästen 11a bis Hc angeordnet, die einen Katalysator enthalten. Die Durchtrittshöhen der ein/einen Katalysatorbetten können, je nach der besonderen Art eines Reaktionsvorganges, gleich oder auch verschieden sein. Hinter jedem dieser Kästen — ir. der Durchströmrichtung des durch den einen Rohrstut/en 5 eintretenden und durch den anderen Rohrstutzen 6 austretenden Reaktionsgases gesehen — sind die als Wärmetauscher dienenden Kühler 12,; bis 12e angeordnet, deren Rohre sich ebenfalls über den ganzen Querschnitt des Reaktionsbehälters erstrecken.

leder Kühler ist mit einer eigenen Pumpe 13.7 bis 13c und mit einem ihm vorgeschalteten Ventil 14a bis 14c ausgerüstet, das sich in je einer von einer gemeinsamen Vorlaufleitung 15 ausgehenden Zweigleitung 16a bis 16c befindet. )e eine andere Zweigleitung 17a bis 17c führt von dem an die Pumpen 13a bis 13e saugseitig angeschlossenen Austrittsende der Kühler 12a bis 12c zu einer gemeinsamen Rücklaufleitung 18.

Die Rücklaufleitung 18 und die Vorlaufleitung 15 bilden zusammen mit einem dazwischengeschaltcten 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 12« bis 12c quer durchströmende Reaktinnsgas, das vorher beim Durchströmen je eines Katalysatorkastens 11a bis He infolge des dabei eintretenden Reaktionsvorganges etwas erwärmt worden ist und dann in je einem nachgeschalteten Kühler wieder etwas abgekühlt wird.

Da sich die Temperatiirverhältnisse im Bereich jeder Rcaktionssiufc 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 Aniriebsleislungen für die Kompressoren zum Verdichten des Reaktionsgases wegen der geringen Tiefen und des dadurch bedingten geringen Strömungswiderstandes der Katalysatorschichlen sowie in dem ebenfalls vergleichwcise geringen Leistungsbedarf für das gemeinsame Umwälzsystem wegen der sich nur auf geringe Teilmengen beziehenden Rückkühlung des Kühlmittels.

Die einzelnen Kästen 11a bis lic können nicht nur verschiedene Katalysatormengen, 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 12c gehörenden Ventile 14a bis 14e, die zur Regelung der aus den einzelnen Kühlerkreisläufen abzuführenden und in dem gemeinsamen Hauptwärmetauscher 19' rück/ukühlenden 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 16c, sondern in die zur gemeinsamen Rücklaufleitung 18 führenden Zweigleitungen 17a bis 17c 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 Vorlauflcitung 15 ausgehenden Zweigleitungen 16a bis 16e saugseitig, die in die Rücklaufleitung 18 mündenden Zweigleitungen 17a bis 17c 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 Vorlaufleitung 15' befindet sich ein Wärmetauscher 24. Von beiden Vorlaufleitungen 15,15' führen Zweigleitungen 16a bis 16e bzw. 25a bis 25e zu den einzelnen Kühlern 12a bis 12c, deren Austrittsleitungen 17a bis 17e an die Rückianfleitung 18 angeschlossen sind. Das Verhältnis der gekühlten und ungekühlten Teilmengen des den Kühlern zugeführten Kühlmittels wird durch Dreiwegeventile 26a bis 26c geregelt, die ebenso wie die Ventile 14a bis 14e gemäß den F i g. 1 und 2 durch Temperaturfühler automatisch eingestellt werden. Eine solche Schaltung eignet sich, wenn die Temperaturen der einzelnen Stufenkreisläufe nur wenig voneinander abweichen.

Ein Reakiionsapparat 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.

Hierziii 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Reaktionsapparat zur Durchführung von katulytischen Reaktionen in mehreren Stufen, wobei der Katalysator in Schichten angeordnet ist, die im Abstand voneinander liegen und nacheinander vom Reakiionsgas durchströmt werden, und wobei jeder Katalysatorschicht ein Wärmetauscher mil quer zur Strömung des Reaktionsgases liegenden Rohrsystem nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (12a bis 12c), die sich zwischen den in herausnehmbaren Kästen (11a bis ile) untergebrachten Katalysatorsrhichten befinden, unter Verwendung eines Wärmeträgers mit einer, bezogen auf den normalen Druck, über 100°C liegenden Verdampfungstemperaiur an ein gemeinsames, aus einer Vorlauf- und einer Rüeklaufleitung (15, 18) und einem zugehörigen Hauptwärmetauscher (20; 21) bestehendes Umwälzsystem derart angeschlossen sind, daß die Haupimcnge des Wärmeträgers mittels Pumpwirkung bei annähernd gleichbleibender Temperatur ständig im Kreislauf der einzelnen Wärmetauscher umgewälzt wird, während nur eine relativ geringe Teilmenge aus jedem Wärmetauscher in das gemeinsame Rückkühlsystcm abgezweigt und anschließend wieder zugeführt wird.

2. Rcaktionsapparat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wärmetauscher (12a bis 12c) eine eigene Umwälzpumpe (13a bis 13c) zugeordnet ist.

3. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorlaufleitung (15) des für alle Stufen gemeinsamen Umwälzsystems eine Hauptumwälzpumpe (22) angeordnet ist

4. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das für alle Stufen gemeinsame Umwälzsystem aus zwei parallclgeschaltctcn Vorlaufleitungen (15, 15') mit je einer Umwälzpumpe (23, 23') und einer Rücklaufleilung (18) besteht, wobei nur in der einen Vorlauflcitung ein Hauptwärmetauscher (24) angeordnet ist und wobei beide Vorlaufleitungen über Zweigleitungen (16a bis 16c; 25a bis 25c) und Dreiwege-Regelorgane (26a bis 26c) an die einzelnen Wärmetauscher (52a hk 12c) jeder Stufe angeschlossen sind.