DE2264361C3 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor für exotherme katalytische Verfahren bei hohen Drücken und Temperaturen wie die Ammoniak- oder Methanolsynthese, bestehend aus einem senkrechten Druckkörper mit hintereinandergeschalteten Katalysatorvorlagen und Wärmeaustauschern, einer im oberen Teil des Reaktors angeordneten, adiabatisch arbeitenden, radial durchströmten Katalysatorzone, einem Zentralrohr mit elektrischer Heizeinrichtung sowie Sammel- und Mischkammer, wobei die adiabatisch arbeitende Katalysatorzone von einem kegelstumpfförmig ausgebildeten Korb aufgenommen ist, an dessen unterem Ende eine mit Leitblechen versehene Mischkammer vorgesehen ist, in der mittleren Katalysatorvorlage mehrere konzentrisch angeordnete Wärmeaustauscherrohre vorgesehen sind sowie mit einem im unteren Teil des Reaktors angeordneten, mit Metallkugeln gefüllten Wärmeaustauschergemäß Patent 21 23 650.
Dieser Reaktor arbeitet sehr zufriedenstellend, es haben sich jedoch folgende Nachteile bzw. Erscheinungen gezeigt, die mit vorliegender Erfindung beseitigt werden:
1. Die Metallkugeln innerhalb der Rohre des Wärmetauschers führen bei hohen Gasgeschwindigkeiten zu einer Vergrößerung des Druckabfalls im Reaktor. Besonders ist hierdurch das Zentralrohr einem größeren Druckunterschied ausgesetzt, es besteht die Gefahr, daß es eingedrückt wird. Bei der Rezirkulation der Gase gegen den erhöhten Druck des Reaktors wird entsprechend mehr Energie verbraucht Durch den Anstieg des Drucks und damit der erforderlichen Energie wird die Kapazität der gesamten Anlage begrenzt.
2. Gemäß Patent 2123 650 ist zur Kühlung der mittleren Katalysatorvorlage in je einem Außenrohr ein sich nach oben konisch verjüngendes Innenrohr vorgesehen. Derartige sich im Durchmesser wie in der Wandstärke konisch verjüngende Rohre sind besonders bei ihrer großen Länge von ca. 10 Metern schwer herzustellen.
3. Bei Ammoniaksynthese-Aggregaten, die für den Synthesegasumlauf Kolbenkompressoren mit ölschmierung verwenden, kann öl in das in den Reaktor tretende Synthesegas mitgerissen werden. Durch seine Verkohlung verursacht das mitgerissene öl eine Verschlechterung des Wärmeaustausches im Reaktor. Hierdurch wird die Durchsatzleistung des Reaktors vermindert.
4. Im Laufe der Zeit setzt sich die Katalysatormasse ab, dies um so mehr, je feinkörniger sie ist. Dabei oilden sich bevorzugte Strömungswege. Hierdurch wird die Leistung besonders der adiabatischen Katalysatorzone vermindert. Um Katalysatormasse nachzufüllen, müßte ein innerer Deckel abgenommen werden, was jedoch sehr schwierig und umständlich wäre. Auch wären damit längere Stillstände verbunden.
5. Bei Reaktoren dieser Art ist die Verbindung zwischen den Wärmeaustauschern besonders wichtig. Sehr vorteilhaft ist es, wenn das neu zugeführte, aus den Rohren des unteren Wärmeaustauschers austretende Gas zunächst in eine Verteilerkammer zusammenströmt und hier also vermischt wird und sodann auf die konzentrische Wärmeaustauscherrohre in der mittleren Katalysatorvorlage verteilt wird, worauf die einzelnen Gasströme wieder zusammengefaßt und der ersten Katalysatorvorlage gemeinsam zugeführt werden. Ein solcher Misch- und Verteilraum muß ferner den Beanspruchungen durch Gewicht, Druckunterschiede und Temperaturschwankungen gewachsen sein.
Zur Beseitigung dieser Mangel und Schwierigkeiten wird der Reaktor dadurch weiter ausgebildet, daß in den Rohren des Wärmetauschers Stangen mit quadratischem Querschnitt angebracht sind, daß die konzentrisch angeordneten Wärmeaustauscherrohre in der mittleren Katalysatorvorlage aus drei gewöhnlichen konzentrischen Rohren bestehen, daß am Eintritt des Synthesegases in den Zwischenraum des Wärmetauschersein Flugtropfenabscheider aus Metallsiebgewebe vorgesehen ist, daß zum Einfüllen von Katalysatormasse den Deckel des Innenkörpers durchsetzende Füllrohre vorgesehen sind und daß eine balgförmige Verteilerkammer vorgesehen ist, die durch eine horizontale Trennwand in einen oberen Teil und einen unteren Teil unterteilt ist, wobei jedes äußere Rohr in den oberen Teil und das mittlere Rohr und innere Rohr in den Interteil einmünden und das Zentralrohr durch \ anddurchbrüche mit dem oberen wie mit dem unteren eil der Verteilerkammer verbunden ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung für die Ammoniaksynthese beschrieben, die einen axialen Schnitt durch den Reaktor darstellt, und zwar wird der Weg des Synthesegases durch den Reaktor verfolgt und dabei der Aufbau des Reaktors erläutert.
Das Synthesegas gelangt durch einen Kanal a im oberen Deckel 1 in den Reaktor und durchströmt schraubenförmig absteigend einen Ringraum b zwischen einem tragenden Reaktormantel 2 und dem Innenkörper ?. wobei es bis auf 50—600C erwärmt und der Reaktormantel 2 auf eine Temperatur unter 1000C gekühlt werden.
Weiter tritt das Gas durch einen aus zweckmäßig angeordneten Metallsieben bestehenden Flugtropfenabscheider 4 hindurch in den Zwischenraum c eines Wärmetauschers 5 am unteren Bereich des Reaktors ein, wo es sich durch die Wärme der Gase, die schon reagiert haben und den Reaktor verlassen, erwärmt Der Flugtropfenabscheider 4 bewirkt die gründliche Reinigung der Gase von mitgerissenen öltropfen und stütz! gleichzeitig eine Lage Kugeln B, mit weichen der Zwischenrohrraum c gefüllt ist. Die abgeschiedenen Tropfen werden von Zeit zu Zeit durch einen Stutzen 6 abgelassen bzw. -geblasen.
Die Kugeln B, die eine katalytische Wirkung und einen gewissen Grad von Oberflächenbearbeitung aufweisen können, dienen zur Intensivierung des Wärmetransportes und zur vorkatalytischen Einwirkung auf das Gas, also zur Methanisierung von im Synthesegas enthaltenen Spuren von CO und CO2.
Aus dem Zwischenrohrraum cdes Wärmetauschers 5 strömt das auf 300— 35O°C vorgewärmte Gas durch eine gelochte Platte 7, die ein eventuelles Mitreißen von Kugeln B verhindert.
In einem gewissen Abstand oberhalb des Wärmetauschers 5 ist im mittleren Bereich des Reaktors eine durch ein besonderes Kühlsystem gekühlte, axial durchströmte Katalysatorvorlage C ausgebildet und über dieser, also im oberen Bereich des Reaktors ist eine radial durchströmte Katalysatorvorlage C ausgebildet. In dem Zwischenraum zwischen Wärmetauscher 5 und Katalysatorvorlage C ist eine balgförmige Verteilerkammer dm\\ einer mittleren Trennwand eingeschaltet. Durch das mit entsprechenden Wanddurchbrüchen versehene Zentralrohr U sind der Wärmetauscher 5 und das untere Abteil der Verteilerkammer deinerseits und das obere Abteil der Verteilerkammer und die obere Katalysatorvorlage C, und zwar deren oberes Ende, mit einander verbunden.
Vom Wärmetauscher 5 herkommend durchströmt das Gas also zunächst das Kühlsystem in der mittleren Katalysatorvorlage C, danach die Katalysatormasse in der oberen Vorlage und sodann die zuvor gekühlte Katalysatormasse der mittleren Vorlage C
Das Kühlsystem für diese mittlere Katalysatorvorlage C besteht aus einer Vielzahl achsparalleler Rohrgruppen zu je drei konzentrischen Rohren 8,9 und 10. Die beiden inneren konzentrischen Rohre 9 und 10 münden in den unteren Teil der Verteilerkammer dund sind oben offen; das jeweils äußere Rohr 8 ist oben geschlossen und mündet in den oberen Teil der Verteilerkammer d.
Das Gas gelangt also von unten in das innerste Rohr 10, steigt hoch und gelangt in das konzentrische Zwischenrohr 9, wo es sich bis auf 3700C erhitzt, es gelangt dann von oben in den Ringraum e /.wischen dem Zwischenrohr 9 und dem Außenrohr 8 und erhitzt sich dabei weiter bis auf 400 bis 410" C bei entsprechender Kühlung des Reaktors.
Die gegenseitige Anordnung der Rohre 8,9 und tO ist so gewählt, daß der Temperaturverlauf so nahe wie möglich dem Optimum angenähert hi.
Aus dem oberen Teil der Verteilerkammer d strömt das Gas in das Zentralrohr 11 ein, in das von oben her ein elektrischer Heizstab 12 hineinragt, an dem das Gas weiter bis auf 410 bis 420cC erhitzt wird; mit dieser Temperatur tritt das Gas dann radial durch die Katalysatormasse der oberen Katalysatorvorlage C.
Die Katalysatorvorlage C" ist kegelstumpfförmig in einem mit Metallsieben ausgelegten gelochten Korb 13 angeordnet und stellt eine katalytische adiabatische Zone dar. in welcher die Temperatur des Gases bis auf 510—52O~C ansteigt, wobei die freiwerdende Wärme die Reaktion der Gase beschleunigt
Die obere Katalysatorvorlage C ist in Form eines Korbes mit zwei zueinander konzentrischen, konischen, gelochten Wandungen ausgebildet Der gelochte Korb 13 ist mit Metallsieben ausgelegt.
Die Gase gelangen nun in eine Mischkammer g mit Fliehkraftmischeffekt.
Der mit Sieben ausgelegte Korb 13 und die Mischkammer g sind fest miteinander verbunden und von Stützen 14 getragen und können gemeinsam aus dem Innenkörper 3 mit Hilfe eines auf dem zentralen Rohr 11 gleitenden Rohres 15 herausgezogen werden.
Durch Füllrohre 16 kann Katalysatormasse eingefüllt werden, wobei die Füllrohre 16 eine Wärmedehnung des Korbes 13 gestatten, aber durch ein (nicht dargestelltes) System von Buchsen gut abgedichtet sind.
Aus dem Mischraum b gelangen die Gase weiter durch eine mit Metallsieben 18 ausgelegte Lochplatte 17 hindurch, wodurch die Strömung nun beruhigt wird, so daß die Katalysatormasse der nun folgenden — zuvor gekühlten — Katalysatorvorlage nicht aufgewirbelt wird.
Der Boden dieser Katalysatorvorlage ist von einer Lochplatte 20 gebildet, über die Siebe 19 verlegt sind, auf denen eine Schicht von Kugeln B' angeordnet sind. Hierdurch können von dem durchströmenden Gas keine Partikel der Katalysatormasse mitgerissen werden.
Über einen Ringraum h zwischen Verteilerkammer d und Reaktorwandung gelangen die Gase nun in den Raum unterhalb der Verteilerkammer d und verteilen sich auf die Kühlrohre des Wärmetauschers 5. Die Kühlrohre erstrecken sich zwischen einer oberen und einer unteren Lochplatte 24 durch die erwähnte Schicht von Metallkugeln B hindurch. In jedem Kühlrohr ist ein Vierkantstab 21 angeordnet, auf diese Weise ist in jedem Kühlrohr ein Ringraum gebildet, wodurch der Wärmeaustausch an der Wandung der Kühlrohre intensiviert wird. Die beidseits angespitzten Vierkantstäbe 21 ruhen auf dem unteren Deckel 1' des Reaktors. Durch einen Kanal j treten die Gase aus dem Reaktor mit einer Temperatur von 200 bis 25O0C aus.
Der Wärmetauscher 5 ist einem hohen Temperaturgefälle ausgesetzt, an den Innenseiten der Lochplatten 24 ist daher je eine Asbestplatte A vorgesehen.
Eine Zuleitung 22 für Kühlgas erstreckt sich durch den unteren Deckel Γ hindurch und mündet in die Schicht mit den Kugeln S des Wärmetauschers 5. Hierdurch kann die Temperatur geregelt werden. Zur Messung der Temperaturen ist der Reaktor mit Aufnahmerohren 23 für Thermoelemente versehen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Reaktor für exotherme katalytische Verfahren bei hohen Drücken und Temperaturen wie die Ammoniak- oder Methanolsynthese, bestehend aus einem senkrechten Druckkörper mit hintereinandergeschaheten Katalysatorvorlagen und Wärmeaustauschern, einer im oberen Teil des Reaktors angeordneten, adiabatisch arbeitenden, radial durchströmten Katalysatorzone, einem Zentralrohr mit elektrischer Heizeinrichtung sowie Sammel- und Mischkammer, wobei die adiabatisch arbeitende Katalysatorzone von einem kegelstumpfförmig ausgebildeten Korb aufgenommen ist, an dessen unterem Ende eine mit Leitblechen versehene Mischkammer vorgesehen ist, in der mittleren Katalysatorvorlage mehrere konzentrisch angeordnete Wärmeaustauscherrohre vorgesehen sind sowie mit einem im unteren Teil des Reaktors angeordneten, mit Metallkugeln gefüllten Wärmeaustauscher, gemäß Patent 2123 650, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rohren des Wärmeaustauschers (5) Stangen (21) mit quadratischem Querschnitt angebracht sind, daß die konzentrisch angeordneten Wärmeaustauscherrohre in der mittleren Katalysatorvorlage aus drei gewöhnlichen konzentrischen Rohren (8, 9 und 10) bestehen, daß am Eintritt des Synthesegases in den Zwischenrohrraum (c) des Wärmetauschers (5) ein Flugtropfenabscheider (4) aus Metallsiebgewebe vorgesehen ist, daß zum Einfüllen von Katalysaiormasse den Deckel des Innenkörpers durchsetzende Füllrohre (16) vorgesehen sind, und daß eine balgförmige Verteilerkammer (^vorgesehen ist, die durch eine horizontale Trennwand in einen oberen Teil und einen unteren Teil unterteilt ist, wobei jedes äußere Rohr (8) in den oberen Teil und das mittlere Rohr (9) und innere Rohr (10) in den Unterteil einmünden und das Zentralrohr durch Wanddurchbrüche mit dem oberen wie mit oem unteren Teil der Verteilerkammer verbunden ist.
DE2264361A 1971-05-14 1972-12-28 Reaktor für exotherme katalytische Verfahren bei hohen Drucken und Temperaturen wie die Ammoniak- oder Methanolsynthese Granted DE2264361B2 (de)

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