DE2230127C3 - Reaktionsapparat zur Durchführung endothermer chemischer Prozesse - Google Patents

Reaktionsapparat zur Durchführung endothermer chemischer Prozesse

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktionsapparat zur Durchführung endothermer chemischer Prozesse mit einem ringförmigen Bündel vertikaler Kontaktrohre. In solchen Apparaten wird ein Reaktionsgas durch die eine Katalysatormasse enthaltenden Kontaktrohre geleitet, wobei die für den Reaktionsvorgang benötigte Wärme von einem die Kontaktrohrc außenseitig beaufschlagenden Wärmeträger geliefert wird. Dieser Wärmeträger wird mittels einer Pumpt· im Kreislauf umgewälzt, wobei ihm an einer anderen Stelle die an die Kontaktrohre abgegebene Wärme wieder zugeführt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es. einen derartigen Reaktionsapparat im Sinne einer kompakten, d. h. möglichst gescnlossenen Bauart ohne außenliegende Bauteile mit einer Symmetrieachse und einer sowohl für den Reaktionsvorgang als auch für den Wärmetausch zwischen den verschiedenen Medien möglichst günstigen Strömungsverlauf auszubilden. Zu diesem Zweck ist die Erfindung gekennzeichnet durch ein längeres zylindrisches Innenrohr, ein dieses konzentrisch umgebendes kürzeres zylindrisches Außenrohr, einen zylindrischen Hohlkörper, dessen äußerer Durchmesser dem Durchmesser des Innenrohrs entspricht. Kontaktrohren im Ringraum zwischen Außenrohr und 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 zum Wiedererwärmen beaufschlagte Rohrbündel geführt werden, dessen oberer Rohrboden durch einen Teil einer kegelförmigen Haube der Brennkammer gebildet wird und an dessen unteren Rohrboden sich ein Austrittssammelraum für die Rauchgase anschließt.
Dabei liegt den Schrägflächen der kegelförmigen Haube der Brennkammer ein zweiter ringförmiger Hohlkörper gegenüber, der die Umwälzpumpe umgibt und außerdem zur Begrenzung von zwei Ringkanälen für den aufwärts bzw. nach der Umlenkung in einem obenliegenden Expansionsraum wieder abwärts geführten Wärmeträger dient.
Im Sinne eines der besonderen Bauart des Reaktionsapparates angepaßten Strömungsverlaufes des Wärmeträgers empfiehlt es sich ferner, daß an das obere und das untere Ende des doppelwandigen zylindrischen Hohlkörpers sich ebenfalls ringförmige Trennwände zwischen den zu beiden Umlenkungsbereichen des Wärmeträgers gehörenden Kanälen anschließen, wobei die obere Trennwand auch mit dem darüberliegenden Hohlkörper verbunden ist.
Bei einer anderen Ausgestaltung des Erfindungsge-
genstandes dienen als Heizeinrichtung elektrische Heizstäbe. die in an einem Ende geschlossenen und am anderen Ende in einen Schaltkasten für die Heizstäbe mündenden Rohren angeordnet sind.
Dabei können die zur Aufnahme der elektrischen Heizstäbe dienenden Rohre in dem durch die Innenwand des zylindrischen Hohlkörpers und die anschließenden Trennwände radial nach außen begrenzten zentralen Rau.» angeordnet sein und mit ihren oberen, ge-
bereichen der Kontaktrohre in Querrichtung und im mittleren Bereich in Längsrichiung derselben geführt wud.
Das Innenrohr 1 ist in den mit »X« bezeichneten Längsabschnitten zwischen den Rohrboden 5. 6 einerseits und dem Hohlkörper 3 andererseits ringsum teilweise unterbrochen, wie aus F i g. 3 ersichtlich ist Diese Abschnitte sind durch zylindrische Trennwände 13.
w , o^ 14 überbrückt, die einen etwas kleineren Durchmesser
schlossenen Enden im Abstand dem Pumpenrad und io haben und sich von den Enden des Hohlkörpers 3 bis dem dieses umgebenden Hohlkörpers gegenüberliegen, etwas über die Querebenen der Roh-böden 5,6 hinaus 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 Hei/stäbe dienenden Rohre ringförmig £.jgeordnet und münden mit ihren oberen, offenen Enden in einen oberhalb des Innenrohres angeordneten Kabelanschlußkasten für die Heizstäbe, wobei sich in dem von den Roh- ao ren freien zentralen Raum unterhalb des Umwälzaggregates ein Verdrängerkörper befindet.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes, der sich etwa zur Herstellung von Isopren auf Azethylenbasis eignet, beispiels- aj weise dargestellt. Es zeigt
F i g. 1 einen derartigen Reaktionsapparat mit einer zentralen Brennkammer.
F 1 g. 2 einen Teillängsschnitt der F i g. 1 mit einer Variation im Bereich der Kontaktrohre,
F i g. 3 eine weitere konstruktive Einzelheit dazu an den mit »X« bezeichneten Stellen.
Fig.4 eine zweite Ausführungsform des Reaktionsapparates mit einer elektrischen Heizeinrichtung.
F i g. 5 einen Teillängsschnitt entsprechend F i g. 2.
F i g. b eine dritte Ausführungsform des Reaktionsapparates.
Die charakteristische Gesamtform eines gemäß der erstrecken. Die obere Trennwand 13 reicht bis 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 gebildeten Expansionsraum 19.
Die Ausführungen nach den F i g. 1. 4 und 6 weisen alle die bisher beschriebenen baulichen Merkmale auf. ihre Unterschiede bestehen in folgendem:
as Bei der ersten Ausführung nach F i 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 Rineraum zwischen der Brennkammer 20 der 35 und dem zylindrischen Hohlkörper 3 sind Heizrohre 24 angeordnet, deren oberer Rohrboden 25 durch den ringförmig überstehenden Rand der Brennkammerhaube 22 gebildet wird und an deren unteren zugleich für den Abschluß für das Innenrohr 1 bildenden Rohrbo-
Erfindung ausgebildeten Reaktionsapparates besteht in 40 den 26 sich ein Sammelraum 27 mit einem Austrittsstutzen 28 für die Rauchgase anschließt. Der ebenfalls ringförmige Rohrboden 26 ist am Innenrand 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 durch den Kanal 23 und anschließend durch den die Heizrohre 24 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 Brennkammerwand abgegebene Wärme auf die erforderliche Temperatur gebracht worden ist, wird er am unteren Cnde der Trennwand 14 in den die Kontaktrohre 4 um-
eincm längeren zylindrischen Innenrohr 1 und einem dieses auf einem Teil seiner Länge konzentrisch umgebenden kürzeren zylindrischen Außenrohr 2. In dem vom Außenrohr umgebenen mittleren Bereich des Innenrohres ist dieses als doppelwandiger Hohlkörper 3 ausgebildet, dessen äußere Wand den gleichen Durchmesser hat wie das Innenrohr 1.
In dem zwischen dem Außenrohr 2 und dem Hohlkörper 3 liegenden Ringraum sind Kontaktrolle 4 angeordnet, die am oberen und am unteren Ende, 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 Außenrohr 2 erstreckenden und damit den Raum um die Kontaktrohre nach oben bzw. unten begrenzenden Rohrboden 5, 6 befinden sich je eine Haube 7 bzw. 8 mit je einem Anschlußstutzen 9 bzw. 10 für den Eintritt bzw. Austritt des Reaktionsgases.
Der doppelwandige zylindrische Hohlkörper 3 ist
nicht ganz so lang wie die Kontaktrohre 4; in seinen 60 gebenden Raum umgelenkt, wobei er mit Hilfe der
Lochplatten 12, 11 in an sich bekannter Weise gleichmäßig über die ganze radiale Breite dieses Raumes verteilt wird. Dieser Raum wird von dem Wärmeträger
c. u. auau.,1 1^.-,^ , Uv^r _,,,<. i^ivu.... „„.„.~ nach oben, also im Gegenzug zum Reaktionsgas, durch-
tung verschieden große, und zwar entsprechend dem 65 strömt, wodurch eine besonders wirkungsvolle Wär-
beiden Stirnebenen, also in einem mäßgen Abstand von den Rohrboden 5, 6, sind quer zu den Kontaktrohren verlaufende Lochplatten 11, 12 angeordnet, die, wie z. B. aus der DT-PS 1 064 922 bekannt, in radialer Rich-
abnehmenden Druck zunehmende Druchtrittsquerschnitte für den die Kontaktrohre außenseitig beaufschlagenden Wärmeträger aufweisen, der in den End-.
meübertragung möglich ist.
Anschließend wird der Wärmeträger durch den Ringkanal 18 in den Expansionsraum 19 geleitet, aus
dem es dann saugseitig wieder zum Pumpenrad 16 gelangt,
Als Wärmeträger kann 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 Umlenkscheiben 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 Durchtrittsquerschnitt 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 Lochplatten 11.12.
Bei der zweiten 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 ao den unteren Abschlußboden 26 des Innenrohres 1 hindurchgeführt bis zu einem im Abstand davon angeordneten, für alle Heizstäbe 31 gemeinsamen Kabelanschlußkasten 33 mit einem abnehmbaren Deckel 34.
Die oberen, geschlossenen Enden der Rohre 32 lie- »5 gen 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 umgebenden 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 außenseitig beaufschlagt In diesem Bereich können, wie aus F i g. 5 ersichtlich, ebenfalls wieder Umlenkschciben 29, 30 abwechselnd so angeordnet sein, daß sich eine an Hand der F i g. 2 bereits erläuterte Führung des Wärmeträgers ergibt.
Die dritte Ausführung nach F i g. 6 weist schließlich eine Variation gegenüber der zweiten Ausführung auf, und zwar insofern, als die elektrischen Heizstäbe 31' und die sie einzeln umgebenden Rohre 32' nach oben durch den ringförmigen Hohlkörper 15 hindurchgeführt und bis zum oberen Abschlußboden 35 des Innenrohres 1 verliingert sind. Mit diesem Abschlußboden sind die hier offenen Enden der Rohre 32' verbunden, aus denen die Enden der Heizstäbe 3Γ bis in den darüber angeordneten gemeinsamen Kabelansclvußkasten 33' hineinragen, der in diesem Falle abnehmbar angeflanscht ist und das Umwälzaggregat 17 ringförmig umgibt.
Da hierbei die Heizstäbe 31' mit ihren Rohren 32' ringförmig angeordnet sein müssen, ist in dem freien zentralen Bereich unterhalb des Umwälzaggregates 17 und des Pumpenrades 16 ein zylindrischer Verdränger 36 mit etwa gleichem Durchmesser angeordnet. Dieser Verdränger ist am oberen Ende kegelstumpfförmig 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 Heizstäbe 3Γ sind so eingerichtet, daß sie vom Bereich des Hohlkörpers 15 an nach oben nicht beheizt werden, weil Mch hier kein bzw. nur noch teilweise flüssiger Wärmeträger, z. B. Alzschmelze. befindet, so daG 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 Um walzen des Wärmeträgers auch umgekehrt erfolgen d- h. im Bereich der Kontaktrohre 4 abwärts und irr Bereich der Heizrohre 24 bzw. 32 bzw. 32' aufwärts.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Reaktionsapparat zur Durchführung endothermer chemischer Prozesse mit einem ringförmigen Bündel vertikaler Kontaktrohre, die außenseitig an einem innerhalb des Reaktionsapparates im Kreislauf geführten und dabei jeweils in einer ebenfalls innerhalb des Reaktionsapparates angeordneten Hetzzone 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, 3Z 32') nach innen im Anschluß an den zylindrischen Hohlkörper (3). eine zentrisch angeordnete Heizeinrichtung sowie ein Umwälzsy- ao stern (16,17). für den Wärmeträger.
2. Reakuonsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizeinrichtung eine Brennkammer (20) dient, deren Rauchgase durch das vom Wärmeträger zum Wiedererwärmen be- as aufschlagte 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 Austrittssammelraum (27) für die Rauchgase anschließt.
J. Reaktionsapparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Schrägflächen 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 iRingkanälen (18. 23) für den aufwärts bzw. nach der Umlenkung in einem oben liegenden Expansionsraum (19) wieder abwärts geführten Wärmeträger dient.
4. Reakuonsapparat nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß an das obere und das untere Ende des doppelwandigen zylindrischen Hohlkörpers (3) sich ebenfalls ringförmige Trennwände (13, 14) zwischen den zu beiden Umlenkungsbereichen des Wärmeträgers gehörenden Kanälen anschließen, wobei die obere Trennwand (13) auch mit dem darüberliegenden Hohlkörper (15) verbunden ist.
5. Reaktionsapparat nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß als Heizeinrichtung elektrische Heizstäbe (31; 31') dienen, die in an einem Ende geschlossenen und am anderen Ende in einen Schaltkasten (33; 33') mündenden Rohren (32; 32') angeordnet 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) gegenüberliegen, während ihre unteren, offenen Enden in einen unterhalb des Innenrohres (1) angeordneten Kabelanschlußkasten (33) für die Heizstäbe (31) münden.
7. Reaktionsapparal nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die zur Aufnahme der elektrischen Heizstäbe {31') dienenden Rohre (32'} ringförmig angeordnet sind und mit ihren oberen, offenen Enden in einen oberhalb des Innenrohres (1) angeordneten Kabelanschlußkasten (33') für die Heizstäbe münden, wobei sich in dem von den Rohren (32') freien zentralen Raum unterhalb des Umwälzaggregates (16. 17) ein Verdrängerkörper (36) befindet.
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