DE2306516A1

DE2306516A1 - Vorrichtung zur erzielung einer gleichmaessigen gasverteilung in radialdurchstroemten katalysatorlagen in reaktoren fuer katalytische, exotherme hochdrucksynthesen, vorzugsweise der ammoniaksynthese

Info

Publication number: DE2306516A1
Application number: DE2306516A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Hinrichs
Original assignee: Lentia GmbH
Current assignee: Lentia GmbH
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1973-02-09
Publication date: 1974-08-15
Also published as: AT321952B

Description

Vorrichtung zur Erzielung einer gleichmäßigen Gasverteilung in radialdurchströmten Katalysatorlagen in Reaktoren ftir katalytische, exotherme Hochdrucksynthesen, vorzugsweise der Ammoniaksynthese In den letzten Jahren sind Reaktoren zur Durchführung exothermer katalytischer Hochdrucksynthesen, besonders der Ammoniaksynthese, beschrieben worden, in denen zumindest ein Teil der gatalysatorfllllung des vertikal stehenden Konverters nicht in axialer, sondern in radialer Richtung vom Synthesegasgemisch durchströmt wird. Als Vorteil hierfür wird ein wesentlich niedrigerer Druckverlust im Reaktor angegeben. (DAS Nr. 1,256.205 und österreichische Patentschrift Nr. 281.870) Bei dieser radialen Gasf!1hrung wird bevorzugt der Gasstrom von innen nach außen durch das Katalysatorbett geführt. Dabei tritt eine ungleichmäßige Gasverteilung innerhalb der Katalysatorschicht auf. Diese kann gemäß österreichischer Patentschrift Nr. 299.981 durch Abstufung der Anzahl und des Durchmessers der Gaseintritteöffnungen pro Flächeneinheit des inneren Ringbleches, die dem Durchtritt des Gases in die Katalysatorsohicht dienen, ausgeglichen werden. Diese Abstufung wird so vorgenommen, daß die Fläche dieser oeffnungen pro Flächeneinheit mit zunehmendem Abstand vom Gaseintritt abnehmen.
Es konnte nun gefunden werden, daß eine gleichmäßige Verteilung auf konstruktiv noch einfachere Weise auch dadurch erzielt werden kann, daß der Querschnitt des der Gasverteilung dienenden Raumes innerhalb des inneren, gaadurchlässigen Ringbleches, das die Katalysatorlage nach innen begrenzt, in GasstrUmungsrichtung stetig oder absatzweise verkleinert wird.
Dies gelingt, wenn man innerhalb dieses Raumes einen kegel- oder kegelstumpfartigen Verdrängungskörper einbaut, der mit der Basis auf dem gasdichten Boden dieses Gasverteilungsraumes aufruht und etwa die Höhe der Katalysatorschicht besitzt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach eine Vorrichtung zur Erzielung einer gleichmäßigen Gasverteilung in radialdurchströmten Katalysatorlagen in Reaktoren'fUr katalytische, exotherme Hochdrucksynthesen, vorzugsweise filr die Ammoniaksynthese, bestehend aus einer zwischen zwei konzentrischen, gasdurohlässigen Ringblechen sowie diese abschließenden Boden und Deckel angeordneten Katalysatorschicht, wobei der innerhalb des inneren Ringbleches sich befindliche Raum auf der einen Seite mit einer Gaseinlaß öffnung versehen und am anderen Ende gasdicht abgeschlossen ist und das äußere Ringblech zusammen mit dem die Katalysatorschicht einschließenden Ofeneinsatzmantel einen Ringspalt bildet, der an der der Gaseinlaßöffnung entgegengesetzten Seite mit einer Gasauslaßöffnung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der der Gasverteilung dienende, innerhalb des inneren Ringbleches befindliche, gleichmäßig mit Öffnungen versehene Raum einen kegel- oder kegelstumpfartigen Verdrängungskörper enthält, der mit seiner Basisfläche auf dem gasdichten Abschluß des innerhalb des inneren Ringbleches befindlichen Raumes montiert ist und sich mindestens fieber 90 % der Höhe der Katalysatorschicht erstreckt, die Basisfläche des Verdrängungskörpers mindestens 65 « und höchstens 85 ffi der Querschnittsfläche des Raumes innerhalb des inneren Ringbleches und die Querschnittsfläche am oberen Ende des Verdrängungskörpers höchstens 15 % davon ausmacht, wobei auf dem Verdrängungskörper noch zusätzliche, weitere, örtlich begrenzte, wulstartige oder ringförmige Körper zur Querschnittsverengung angebracht sind.
Die örtlich begrenzten, wulstartigen oder ringförmigen Körper haben sich ale erforderlich erwiesen, um die letzten Unregelmäßigkeiten im Gasdurchfluß durch die Katalysatorschicht ausgleichen zu können.
Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Verdrängungskörper innerhalb des Gasverteilungsraumes so dimensioniert, daß der kreisringförmige Querschnitt des Gasverteilungsraumes, der zwischen innerem konzentrischem Ringblech und dem Mantel des Verdrängungskörpers liegt, im Verhältnis zum Querschnitt des Raumes innerhalb des inneren ~Ingbleches ohne Verdrängungskörper, der mit 100 % bezeichnet wird, wie folgt verringert wird: Im Abschnitt O bis 11,5 % der Länge der Katalysatorschicht, gerechnet vom Gaseintritt in den Raum innerhalb des konzentrischen Ringbleches, von 100 auf 93 %, bei 11,5 bis 19,3 ffi der Länge von etwa 93 % auf etwa 82,5 %, bei 19,3 bis 70 % der Länge von etwa 82,5 % auf etwa 53,5 %, von 70 bis 100 ffi der Länge von etwa 53,5 % auf etwa 22%. Die Verringerung des Querschnittes kann in manchen Abschnitten des Gasverteilungsrohres stetig oder annähernd stetig erfolgen und wird bevorzugt lediglich lokal durch absatzweise Verringerung und anschließende Erhöhung des Querschnittes unterbrochen, sodaß im Durchschnitt der Verdrängungskörper die Form eines Kegels oder Kegel stumpfes aufweisen sollte.
Die örtlichen raschen Veränderungen des Querschnittes, die konstruktiv durch Aufschieben von Blechringen oder ringförmigen Wulsten auf den kegelförmigen Verdrängungskörper erreicht werden können, werden bevorzugt so angeordnet, daß bei 25 - 29 % der Länge der Katalysatorschicht gemessen vom Gaseingang eine Verengung der bei regelmäßiger Form des Körpers zwischen 82,5 und etwa 70 , der ursprdnglichen Querschnittsfläche betragenden Fläche auf 44 bis 47 % der ursprtlnglichen Fläche eintritt. Ebenso wird die Querschnittsfläche bei 40 bis 45 % der Länge, wo sie bei regelmäßiger Form ueber 50 % der ursprtinglichen Fläche ausmachen sollte, bevorzugt ebenfalls auf 44 bis 47 % der ursprtinglichen Fläche verengt. Bei 55 bis 62 , der Länge sollte die Engstelle im Querschnitt sogar um 34 bis 38 % der uraprUnglichen flach ausmachen, während bei 68 bis 74 % der Länge nur mehr eine geringe örtliche Verengung des Querschnittes auf 40 bis 44 « vorgesehen werden sollte.
Eine solche Vorrichtung ist in ihrem prinzipiellen Aufbau in Figur 1 wiedergegeben. In ihr bedeuten 1 das innere konzentrische Ringblech, 2 die Gase in laßöffnung, 3 die Katalysatorschicht, 4 das äußere Ringblech, 5 den Ringspalt, 6 die Gasauslaßöffnung, die im Boden des Katalysatorgehäuses angebracht ist, 7 den Yerdrängungskörper, der örtlich mit Wulsten oder Ringen 8 versehen ist. 11 sind Stege, die der Betestigung bzw. Halterung des Verdrängungskörpers 7 dienen.
Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Endkatalysatorlage in einem in mehrere Katalysatorlagen unterteilten Ammoniakaynthesereaktor, der zwischen den Katalysatorschiohten durch indirekten Wärmetausch mit frischem Synthesegas oder durch Einftihrung von Kaltgas gekehrt wird, ist in Figur 2 dargestellt. Die Bezugsziffern 1 bis 8 haben die gleiche Bedeutung wie in Figur 1. 9 ist ein den ganzen Ofen durchziehendes, zentrales Steigrohr, das das vom Hauptwärmetauscher (der sich unterhalb der erfindungsg8§§ßen Vorrichtung in der Basis des Ofens befindet) kommende frische Synthesegas bis an das obere Offenende fUhrt, von wo aus es von oben nach unten dieEingangskatalysatorlagen durchströmt, bevor es in die erfindungsgemäß konstruierte Endkatalysatorlage eintritt.
Das reagierende Synthesegas, das von der vorhergehenden Katalysatorlage bzw. dem dazwischengeschalteten tEhlraum kommt, tritt bei 2 in den der Gasverteilung dienenden Raum innerhalb des inneren konzentrischen Ringbleches 1 ein. Der Verdrängungskörper 7 ist in diesem Fall um dieses Steigrohr herum angeordnet.
Das den Ringspalt 5 bei 6 verlassende Gas sammelt sich im Raum 10, bevor es in den Hauptwärmetauscher abgeleitet wird. Prinzipiell können aber auch alle anderen Katalysatorlagen nach dem gleichen Prinzip aufgebaut sein, wobei bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer obersten Katalysatorlage das zentrale Gasftihrungsrohr 9 gegebenenfalls den Brenner aufnehmen kann.
Ist eine Aufheizung des Synthesegases in der Anfahrperiode außerhalb des Ofens vorgesehen, kann bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer obersten Katalysatorlage diese auch gemäß Figur 3 ausgestaltet sein. In diesem Fall endet das zentrale Gasftlhrungsrohr 9 mit dem Verdrängungskörper 7, der als oben oifenen Kegelstumpf ausgebildet ist, wobei diese Öffnung dem Austritt des Gases in den zentralen Gasverteilungsraum innerhalb der Schicht dient. Die Bezugsziffern 1 bis 11 haben wiederum die gleiche Bedeutung wie in'den Figuren 1 und 2.
Ist eine Ruhigstellung des obersten Teiles der Eatalysatorschicht erwUnscht, um bei Setzung des Katalysators einen Gaskurzschluß zu vermieden, so kann dem einfach dadurch Rechnung getragen werden, daß der oberste Teil des inneren Ringbleches keine Öffnungen besitzt Aui Grund der mit der erfindungagemäßen, konstruktiv begonFers einfachen Vorrichtung erzielten gleichmäßigen Gas strömung ist eine optimale AusnUtzung des Katalysators in radial durchströmten Katalysatorlagen mbglich, die durch keinen Druckverlust in den Wänden, die die Katalysatorschicht umgeben, erkauft werden muß. Da in solchen Lagen wegen des insgesamt auftretenden, geringen Durckverlustes die Verwendung eines Katalysators mit relativ kleiner Korngröße, z.B.
einer solchen mit 1 bis 3 mm Durchmesser, möglich ist, kann mit Öfen, in denen eine solche erfindungsgemäß gestaltete gatalysatorlage, z.B. als lange Endkatalysatorlage, eingebaut ist, ein besoners guter Ammoniakaufbau erzielt werden.

Claims

Patentansprllchet

ö Vorrichtung zur Erzielung einer gleichmäßigen Gasverteilung in radialdurchströmten Katalysatorlagen in Reaktoren ftir katalytische, exotherme Hochdrucksynthesen, vorzugsweise ftir die Ammoniaksynthese, bestehend aus einer zwischen zwei konzentrischen, gaadurchlässigen Ringblechen (1,4) sowie diese abschließenden Boden und Deckel angeordneten Katalysatorschicht (3), wobei der innerhalb des inneren Ringbleches (1) sich befindliche Raum auf der einen Seite mit einer Gaseinlaßöffnung (2) versehen und am anderen Ende gasdicht abgeschlossen ist und das äußere Ringblech (4) zusammen mit dem die Katalysatorschicht einschließenden Ofeneinsatzmantel einen Ringspalt (5) bildet, der an der der Gaseinlaßöffnung (2) entgegengesetzten Seite mit einer Gasauslaßöffnung (6) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der der Gasverteilung dienende, innerhalb des gleichmäßig mit Öffnungen versehenen inneren Ringbleches (1) befindliche Raum einen kegel- oder kegelstumpfartigen Verdrängungskörper (7) enthält, der mit seiner Basisfläche auf dem gasdichten Abschluß des innerhalb des inneren Ringbleches befindlichen Raumes montiert ist und sich mindestens Uber 90 96 der Höhe der Katalysatorschicht (3) erstreckt, die Basisfläche des Verdrängungskörpers (7) mindestens 65 % und höchstens 85 ffi der Querschnittsfläche des Raumes innerhalb des inneren Ringbleches (1) und die Querschnittsfläche am oberen Ende des Verdrängungskörpers (7) höchstens 15 ffi davon ausmacht, wobei auf dem Verdrängungskörper (7) noch zusätzliche, weitere, örtlich begrenzte, wulstartige oder ringförmige Körper (8) zur Querschnittsverengung angebracht sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem axialen Gasfluß dienende, kreisringförmige Querschnitt zwischen innerem Ringblech (1) und Wand des Verdrängungskörpers (7) in Richtung Gasströmung annähernd stetig oder absatzweise so verringert wird, daß er im Abschnitt 0 bis 11,5 , der gesamten Länge der Katalysatorschicht (3) in Richtung der axialen Gasströmung von ursprtlngl ich 100 % auf etwa 93 ffi und bei 11,5 bis 19,3 , der Länge von etwa 93 % auf etwa 82,5 k, bei 19,3 bis 70 % der Länge von etwa 82,5 auf etwa 53,5 % und bei 70 bis 100 % der Länge von etwa 53,5 auf etwa 22 % absinkt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der der Gasströmung vorbehaltene, kreisringförmige Querschnitt zwischen innerem Ringblech (1) und Wand des Verdrängungskörpers (7) durch das Anbringen von Wulsten oder Blechringen (8) im Bereich von 25 bis 29 % der Länge auf 44 bis 47 %, 40 bis 45 % der Länge auf 44 bis 47 %, 55 bis 62 % der Länge auf 34 bis 38 % und 68 bis 74 % der Länge auf 40 bis 44 % zusätzlich örtlich eingeengt ist.