DE2230127B2 - Reaktionsapparat zur Durchführung endothermer chemischer Prozesse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktionsapparat zur Durchführung endothermer chemischer Prozesse mit einem ringförmigen Bündel vertikaler Kontaktrohre. In solchen Apparaten wird ei-, R?Ationsgas durch die eine Katalysutormasse enthaltenden Kontaktrohre geleitet, w jbei die für den Reaktionsvorgang benötigte Wärme von einem die Kontaktrohre außenseitig beaufschlagenden Wärmeträger geliefert wird. Dieser Wärmeträger wird mittels einer Pumpe im Kreislauf umgewälzt, wobei ihm an einer anderen Stelle die an die Kontaktrolle abgegebene Wärme wieder zugeführt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen derartigen Reaktionsapparat im Sinne einer kompakten, d. h. möglichst gc-jnlossencn Bauart ohne außenliegende Bauteile mit einer Symmetrieachse und einer sowohl für den Reak lionsvorgang als auch für den Wärmetausch /wischen den verschiedenen Medien möglichst günstigen Strömungsverlauf auszubilden. Zu diesem Zweck ist die Erfindung gekennzeichnet durch ein längeres zylindrisches Innenrohr, ein dieses konzentrisch umgebendes kürz.eres /slindrisches Außenrohr, einen zylindrischen Hohlkörper, dessen äußerer Durchmesser dem Durchmesser des Innenrohrs entf.prichi, Kontaktrohren im Ringraum zwischen Außenrohr >ind Hohlkörper. Heizrohren nach innen im Anschluß an den zylindrischen Hohlkörper, eine zentrisch angeordnete Heizeinrichtung sowie ein Umwälzsystem für den Wärmeträger.

Der Gegenstand der Erfindung kann zweckmäßig so ausgebildet sein, daß als Heizeinrichtung eine Brennkammer dient, deren Rauchgase durch das vom Wärmeträger /um Wiedererwärmen beaufschlagte Rohr bündel geführt wurden, dessen oberer Rohrboden durch einen Feil einer kegelförmigen Haube der Brennkammer gebildet wird und an dessen unteren Rohrboden sich ein Austrittssammelraum für die Rauchgase anschließt.

Dabei lieirt den Schrägflächen der kegelförmigen Haube der Brennkammer ein zweiter ringförmiger Hohlkörper gegenüber, der die Umwälzpumpe umgibt und außerdem zur Begrenzung von zwei Kingkanälen für den aufwärts bzw. nach der Umlenkung in einem obenliegenden Expansionsraimi wieder abwärts geführten Wärmeträger dient.

Im Sinne eines der besonderen Bauart des Reaktionsapparates angepaßten Strömungsverlauics des Wärmclrägcrs empfiehlt es sich ferner, daß an das obere und das untere Ende des doppelwandigen zylindrischen Hohlkörpers sich ebenfalls ringförmige Trennwände zwischen den zu beiden Umlcnkungsbereichcn des Wärmeträgers gehörenden Kanälen anschließen, wobei die obere Trennwand auch mit dem darübcrlicgcnclcn Hohlkörper verbunden ist.

Bei einer anderen Ausgestaltung des Erfindungsge-

genstandes dienen als Heizeinrichtung elektrische Mcj/stiibc, die in an einem Ende geschlossenen und am anderen linde in einen Schaltkasten für die Hei/stiibe mündenden Rohren angeordnet sind.

Dabei können die zur Aufnahme der elektrischen Hei/stäbe dienenden Rohre in dem durch die Innenwand des zylindrischen Hohlkörpers und die anschließenden Trennwände radial nach auBen begrenzten zentralen Raum angeordnet sein und mit ihren oberen, geschlossenen Enden im Abstand dem Pumpenrad und dem dieses umgebenden Hohlkörpers gegenüberliegen, während ihre unteren, offenen Enden in einen unterhalb des Innenrohres angeordneten Kabelanschlußkasten für die Heizstäbe münden.

Bei einer anderen Variation der letztgenannten Ausgestaltung sind die zur Aufnahme der elektrischen Heizstäbe dienenden Rohre ringförmig angeordnet und münden mit ihren oberen, offenen Enden in einen oberhalb des Innenrohres angeordneten Kabelanschlußkasten für die Heizstäbe, wobei sich in dem von den Rohren freien zentralen Raum unterhalb des Umwälzagpregates ein Verdrängerkörper befindet.

In der Zeichnung sind mehrere Ausfiihrungsformen des Erfindungsgegenstandes, der sich etwa zur Herstellung von Isopren auf Azethylenbasis eignet, beispiels- as weise dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen derartigen Reaktionsapparat mit einer zentralen Brennkammer,

F-" i g. 2 einen Teillängsschnitt der F i g. I mit einer Variation im Bereich der Kontaktrohre,

F i g. 3 eine weitere konstruktive Einzelheit dazu an den mit »X« bezeichneten Stellen,

F-" i g. 4 eine zweite Ausfiihruncsforin des Reaktionsiipparates mit einer elektrischen Heizeinrichtung.

F^: i g. 5 einen Teillängsschnitt entsprechend der

r i g. 2.

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform des Reaktions-[ipparatfs.

Die charakteristische Gesamtform eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Reaktionsapparates besteht in einem längeren zylindrischen Innenrohr I und einem dieses auf einem Teil seiner Lange konzentrisch umgebenden kürzeren zylindrischen Außenrohr 2. In dem «1111 Außenrohr umgebenen mittleren Bereich des Innenrohrcs ist dieses als doppclwandigcr Hohlkörper 3 ausgebildet, dessen äi'ßere Wand den gleichen Durchmesse: hat wie das Innenrohr 1.

In dem zwischen dem Außenrohr 2 und dem Hohlkörper 3 liegenden Rmgrauni sind Kontaktrohre 4 angeordnet, die am oberen und am unteren Fnde, wie an sich üblich, in je einem Rohrboden 5 bzw. 6 abdichtend befestigt sind. Oberhalb bzw. unterhalb dieser beiden sich vom Innenrohr 1 bis zum Außcnrohr 2 erstreckenden und damit den Raum um die Koniaktrohr«; nach «ben bzw. unten begrenzenden Rohrböden 5. 6 befinden sich je eine Haube 7 bzw. 8 mit je einem Anschlußfctutzen 9 bzw. 10 für den Eintritt bzw. Austritt des fteaktionsgases.

Der doppelwandige zylindrische Hohlkörper 3 ist nicht ganz so lang wie die Kontaktrohre 4; in seinen beiden Stirnebenen, also in einem mäßgen Abstand von den Rohrböden 5. 6, sind quer zu den Kontaktrohren verlaufende Lochplatlen 11. 12 angeordnet, die, wie z. B. aus der DT-PS I 064 922 bekannt, in radialer Richtung verschieden gn.ße, und zwar entsprechend dem abnehmenden Druck zunehmende Druchtrittsquerschnittc für den die Kontaktrohrc außenseitig beaufschlagenden Wärmeniiger aufweisen, der in den Endbereichen der Kumaktrohre in Querrichtung und im mittleren Bereich in Längsrichtung derselben geführt wird.

Das Innenrohr I ist in den mit »X« bezeichneten i.iingsabschnitten zwischen den Rohrböden 5, 6 einersLMis und dem Hohlkörper 3 andererseits ringsum teilweise unterbrochen, wie aus Fi g. 3 ersichtlich ist. Diese Abschnitte sind durch zylindrische Trennwände 13, 14 überbrückt, die eintn etwas kleineren Durchmesser haben und sich von den Enden des Hohlkörpers 3 bis etwas über die Querebenen der Rohrböden 5, 6 hinaus erstrecken. Die obere Trennwand 13 reicht bis zu einem zweiten ringförmigen Hohlkörper 15, der innen das Pumpenrad 16 eines Umwälzaggregates 17 für den im Kreislauf durch den Reaktionsapparat geführten Wärmeträger umgibt und außen zusammen mit dem Rohr 1 einen Kanal 18 begrenzt. Dieser Kanal steht nach unten mit dem Raum um die Kontaktrohre 4 in Verbindung; nach oben führt er in einen vom obersten Bereich des Innenrohres 1 rebildeten Expansionsraum 19.

Die Ausführungen nach den Fi g. 1, 4 und 6 weisen alle die bisher beschriebenen baulichen Merkmale auf, ihre Unterschiede bestehen in folgendem:

!?ei der ersten Ausführung nach Fi g. 1 ist zentral in dem Reaktionsapparat eine Brennkammer 20 angeordnet, zu der am unteren Ende ein von außen zugänglicher Brenner 21 und am oberen Ende eine kegelförmige Haube 22 gehören. Diese Haube liegt in geringem Abstand unterhalb des Pumpenrades 16. ihre Schrägflächen bilden zusammen mit den parallel dazu verlaufenden Flächen des zweiten Hohlkörpers 15 einen Kanal 23 für den umgewälzten Wärmeträger.

In dem Ringraum zwischen der Brennkammer 20 und dem zylindrischen Hohlkörper 3 sind Heizrohre 24 angeordnet, deren oberer Rohrboden 25 durch den ringförmig überstehenden Rand der Brennkammerhaubc 22 gebildet wird und an deren unteren zugleich für den Abschluß für das Innenrohr 1 bildenden Rohrboden 26 sich ein Sammelraum 27 mit einem Austrittsstutzen 28 für die Rauchgase anschließt. Der ebenfalls ringförmige Rohrboden 26 ist am lnnenr?nd mit der Brennkammer 20 und am Außenrand mit dem unteren Ende des Innenrohres 1 verbunden.

Beim Betrieb dieses Reaktionsapparates wird die durch den endothermen Reaktionsvorgang in den mit einem Katalysator gefüllten und von einem Reaktionsgas durchströmten Kontaktrohren 4 verbrauchte Wärme durch den Wärmeträger ersetzt, der mittels der Umwälzpumpe 16, 17 z. B. im Sinne der in F i g. 1 eingezeichneten Pfeile vom Pumpenrad 16 druckseitig ciiKch den Kanal 23 und anschließend durch den die Heizrohre 2^e umgebenden Raum abwärts geführt wird. Nachdem der Wärmeträger dort durch die die Heizrohre 24 durchströmenden Verbrennungsgase der Brennkammer 20 und auch durch die von der Brennkammerwarid abgegebene Wärme auf die erforderliche Temperatur gebracht worden ist, wird er am unteren Ende der Trennwand 14 in den die Konlaktrohre 4 umgebenden Raum umgelenkt, wobei er mit Hilfe der Lochplatten 12. 11 in an sich bekannter Weise gleichmäßig über di? ganze radiale Breite dieses Raumes verteilt wird. Dieser Raum wird von dem Wärmeträger nach oben, also im Gegenzug zum Reaktionsgas, durchströmt, wodurch eine besonders wirkungsvolle Wärmeübertragung möglich ist.

Anschließend wird der Wärmeträger durch den Ringkanal 18 in den Expansionsraum 19 geleitet, aus

dem es dann suugscitig wieder zum Pumpenrad 16 gelangt.

Als Wärmeträger k;inn Salzschmelze verwendet werden, deren Verdampfungspunkt oberhalb der hier vorkommenden Betriebstemperaturen von etwa 500"C" liegt.

Wie aus dem Teillängsschnitt gemäß F i g. 2 ersichtlich, kann der Wärmeträger auch mit Hilfe von ringförmigen IJmlcnkscheibcn 29,30. die abwechselnd am Innenrand mit dem Hohlkörper 3 bzw. am Außenrand mit dem Außenrohr 2 verbunden sind und an ihrem jeweils anderen Rand einen Durchtrittsciiierscliniit freilassen, in ebenfalls an sich bekannter Weise schlangenartig, also im wesentlichen quer zu den Kontaktrohren 4 durch den diese umgebenden Raum geführt werden. Dabei entfallen dann die '.ochplattcn II, 12.

Hei der /weiten Ausführung nach F i g. 4 wird der umgewälzte Wärmeträger durch elektrische Heizstäbe 31 beheizt, die in am unteren Ende offenen Rohren 32 angeordnet sind. Diese Rohre sind abdichtend durch den unteren Abschlußboden 26 des Innerirohrcs I hindurchgeführt bis zu einem im Abstand davon angeordneten, für alle Heizstäbe 31 gemeinsamen Kabclanschlußkastcn 33 mit einem abnehmbaren Deckel 34.

Die oberen, geschlossenen Enden der Rohre 32 licgen etwa in der unteren Begrenzungsebene des das Pumpenrad 16 umgebenden ringförmigen Hohlkörpers 15. dessen innere Schrägflächen so geneigt sind, daß der vom Pumpenrad 16 umgewälzte Wärmeträger sich über den ganzen Querschnitt des die Rohre 32 uingcbendcn Raumes verteilen kann, der radial nach außen durch die Innenwand des zylindrischen Hohlkörpers 3 und die sich an diesen oben und unten anschließenden Trennwände 13 bzw. 14 begrenzt wird. Somit ist auch bei dieser Ausführung eine sehr gute und gleichmäßige Beheizung des in diesem Bereich wieder nach unten zurückgeführten Wärmeträgers gewährleistet, der dann, ebenso wie bei der ersten Ausführung, erneut in den die Kontaktrohre 4 umgebenden Raum umgelenkt wird und diese Rohre im Aufwärtszug außenscitig beaufschlagt. In diesem Bereich können, wie aus F i g. 5 ersichtlich, ebenfalls wieder Umlenkscheiben 29,30 abwechselnd so angeordnet sein, daß sich eine an Hand der F i g. 2 bereits erläuterte Führung des Wärmet riigers ergibt.

Die dritte Ausführung nach F i g. b weist schließlich eine Variation gegenüber der /weiten Ausführung auf. und zwar insofern, als die elektrischen Heizsläbc 3\' und die sie einzeln umgebenden Rohre 32' nach oben durch den ringförmigen Hohlkörper 15 hindurcligeführl und bis zum oberen Abschlußbodcn 35 des Innenrohres I verlängert sind. Mit diesem Abschlußbodcn sind die hier offenen Luden eier Rohre 32' verbunden, aus denen die Luden tier lleizstiibe 1\' bis in den darüber ungeordneten gemeinsamen Kabelanschlußkasten 3}' hineinragen, der i.i diesem I alle abnehmbar angeflanscht ist und das Umwäl/aggregai 17 ringförmig umgibt.

Da hierbei die Heizstäbe 3Γ mit ihren Rohren 32' ringförmig angeordnet sein müssen, ist in dem freien zentralen Bereich unterhalb des Umwäl/.aggregates 17 und des Pumpenrades 16 ein zylindrischer Verdränger 36 mit etwa gleichem Durchmesser angeordnet. Dieser Verdränger ist am oberen Ende kegclstumpfförmig verjüngt, so daß er hier zusammen mit den Schrägflächen des ringförmigen Hohlkörpers 15 einen Führungskanal für den vom Pumpenrad 16 aus in den Ringraum um die Heizrohre 32' zurückströmenden Wärmeträger bildet.

Die Hcizstäbe 3Γ sind so eingerichtet, daß sie vom Bereich des Hohlkörpers 15 an nach oben nicht behci/t werden, weil sich hier kein bzw. nur noch teilweise flüssiger Wärmeträger, z. B. AI/schmelze, befindet, so daß nicht überall ein Wärmeübergang von den Heizrohren 32' an den Wärmeträger erfolgen könnte und infolgedessen die Gefahr einer Überhitzung der Rohre 32' gegeben wäre.

Grundsätzlich kann bei allen Ausführungen das Umwälzen des Wärmeträgers auch umgekehrt erfolgen, d. h. im Bereich der Kontaktrohre 4 abwärts und im Bereich der Heizrohre 24 bzw. 32 bzw. 32' aufwärts.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Paieniansprüche:

1. Reaktionsappurut zur Durchführung endoihernier chemischer Prozesse mit einem ringförmigen Bündel vertikaler Kontaktrohre, die auQenseitig an einem innerhalb des Reaktionsapparates im Kreislauf geführten und dabei jeweils in einer ebenfalls innerhalb des Reaktionsapparates angeordneten Heizzone wiedererwärmten Wärmeträgers beaufschlagt werden, gekennzeichnet durch ein längeres zylindrisches Innenrohr (1), ein dieses konzentrisch umgebendes kürzeres zylindrisches Außenrohr (2), einen zylindrischen Hohlkörper (3), dessen äußerer Durchmesser dem Durchmesser des Innenrohres (1) entspricht, Kontaktrohren (4) im Ringraum zwischen Außenrohr (2) und Hohlkörper (3), Heizrohren (24, 32, 32') nach innen im Anschluß »n den zylindrischen Hohlkörper (3), eine zeniriseh ungeordnete Heizeinrichtung sowie ein Llmwälzsy-Stern (16, 17), für den Wärmeträger.

2. Reaktionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizeinrichtung eine Brennkummer (20) dient, deren Rauchgase durch das vom Wärmeträger zum Wiedererwärmen be- 2$ iiufschlagte Rohrbündel (24) geführt werden, dessen oberer Rohrboden (25) durch einen Teil einer kegelförmigen Haube (22) der Brennkammer gebildet wird und an dessen unteren Rohrboden (26) sich ein Austrittssammi.-lr.uim (27) für die Rauchgase anschließt.

J. Reaktionsapparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Schräg lachen der kegelförmigen Haube (22) der Brennkammer (20) ein zweiter ringförmiger Hohlkörper (15) gegenüberliegt, der die Umwälzpumpe (16) für den Wärmeträger umgibt und außerdem zur Begrenzung von zwei Ringkanälen (18, 23) für den aufwärts bzw. nach der Umlenkung in einem oben liegenden Expansionsraum (19) wieder abwärts geführten Wärmeträger dient.

4. Reaktionsapparat nach Anspruch 2 und J. dadurch gekenn/eichnct. daß an das obere und das Untere finde des doppelwandigen zylindrischen Hohlkörpers (3) sich ebenfalls ringförmige Trennwände (13. 14) zwischen den zu beiden Umlenkungsbereichen des Wärmeträgers gehörenden Kahälen anschließen, wobei die obere Trennwand (13) tiuch mit dem darübcrlicgeiiclcn Hohlkörper (15) Verbunden ist.

5. Reaktionsapparat nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß als Heizeinrichtung elektrische Mei/.stäbc (31; 31') dienen, die in an einem Finde geschlossenen und am anderen Ende in einen Schaltkasten (33; 33') mündenden Rohren (32; 12) (ingeordnet sind.

6. Reaktionsapparat nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufnahme der elektrischen Heizstäbe (31) dienenden Rohre (32) in dem durch die Innenwand des zylindrischen Hohlkörpers (3) und die anschließenden Trennwände (13, 14) radial nach außen begrenzten zentralen Raum angeordnet sind und mit ihren oberen, geschlossenen Enden im Abstand dem Pumpenrad (16) und dem dieses umgebenden Hohlkörper (15) gegenübcrliegen, während ihre unteren, offenen Enden in einen unterhalb des Innenrohres (1) angeordneten Kabelanschlußkasten (33) für die Heizstäbc (31) münden.

7. Reaktionsappanu nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufnahme der elektrischen Heizstäbe (3V) dienenden Rohre (32') ringförmig angeordnet sind und mit ihren oberen, offenen Enden in einen oberhaib des Innenrohrcs (I) angeordneten Kabelanschlußkasten (33') für die Heizstäbe münden, wobei sich in dem von den Rohren (32') freien zentralen Raum unterhalb des Umwälzaggregates (16, 17) ein Verdrängerk6;'per (36) befindet.