DE2455098B2

DE2455098B2 - Vorrichtung zum Inberührungbringen eines körnigen Katalysators o.a. Gutes mit einem Gas

Info

Publication number: DE2455098B2
Application number: DE2455098A
Authority: DE
Inventors: Albert Mills Arcadia Calif. Soldate (V.St.A.)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-11-30
Filing date: 1974-11-21
Publication date: 1979-08-09
Also published as: DE2455098A1; GB1487336A; FR2329338A1; US3915890A; FR2329338B1; JPS5086482A; DE2455098C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Inberührungbringen eines körnigen Katalysators oder ähnlichen Gutes, mit einem Gas, die ein im wesentlichen horizontal angeordnetes Reaktionsgefäß aufweist, das mit einem Vibrator verbunden ist und quer zur Strömungsrichtung geschlossenen Querschnitt hat und mit gesonderten Einlassen und Auslassen für das Gas und das Gut versehen ist, wobei der Einlaß für das Gut und der Auslaß für das Gut an einer Seite des Reaktionsgefäßes angeordnet sind.

Aus der DE-AS 12 93 727 ist eine Vorrichtung bekannt in der körniges Gut mit einem Gas zu katalytischen Zwecken in Berührung gebracht wird. Das Gut befindet sich in einem völlig gefüllten Kanal und wird durch stoßartige Umkehr der Gasströmungsrichtung ständig in Bewegung gehalten. Nachteilig für die erwünschten Reaktionen ist hierbei, daß das körnige Gut bei jeder Richtungsumkehr der Gasströmung zur Ruhe kommt

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art für Reaktionen zwischen Feststoffen und Gasen im kontinuierlichen Betrieb ist aus der DE-OS 17 67 440 bekannt Hierbei wird das Reaktionsgefäß von Feststoffen unter dem Einfluß der Schwerkraft durchströmt während das mit den Feststoffen in Berührung zu bringende Gas das ReaktionsgefäG in Aufwärtsrichtung, also entgegen der Schwerkraft durchströmt Problematisch hierbei ist daß der Feststoff-Strom außerordentlich empfindlich auf Druckschwankungen und veränderte Durchsatzraten des Gases reagiert. Die Folge ist dann eine Verringerung des Wirkungsgrades der Reaktion.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung eier eingangs genannten Art so abzuwandeln, daß der Wirkungsgrad der Reaktion zwischen Katalysator und Gas im wesentlichen unabhängig von der Durchsatzrate des Reaktionsgases ist.

Die durch die Erfindung gegebene Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei der geschilderten Vorrichtung die Einlaßöffnung für das Gut mit einem Zuleitungsrohr verbunden ist, welches mit einem Regenerationsgefäß sowie einem mit der Gut-Auslaßöffnung verbundenen Ableitungsrohr zu einem horizontal gelagertem Kreislauf für das Gut angeordnet ist, und daß das Volumen des unter Vibrationseinfluß strömenden Gutes den geschlossenen Querschnitt der Gefäßes und Rohre gleichmäßig ausfüllt.

Vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten dieser Lehre ergeben sich durch das Hinzufügen der in den Unteransprüchen stehenden Merkmale.

Mit diesem Vorschlag wird die gestellte Aufgabe recht einfach und vor allem erfolgreich gelöst, weil die Reaktionsfähigkeit des Gutes auch bei ungleichförmig strömendem Reaktionsgas praktisch unverändert bleibt, denn die Strömung des Gases hat kaum noch einen Einfluß auf die Dichte, die Konsistenz und dergleichen des körnigen Katalysators.

Vorteilhaft gegenüber Katalysereaktoren mit fester Bettung ist die Erfindung gemäß der Lösung wegen der Möglichkeit der kontinuierlichen Regeneration des Katalysators und der damit verbundenen Erhöhung der Lebensdauer des Reaktors. Auch verhindert der fluidisierte Zustand des Katalysators wesentlich das Auftreten heißer Stellen innerhalb der Vorrichtung, die in Reaktoren mit festen Bettungen stets ein Problem sind und auch in Reaktoren mit Bettungen unterschiedlicher Dichte problematisch sein können.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf das in der Zeichnung wiedergegebene bevorzugte Anwendungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Vorrichtung, und

F i g. 2 einen schematisierten Horizontalschnitt durch wesentliche Teile der Vorrichtung.

In den Zeichnungen ist ein Katalysereaktor 40 für eine Gas/Feststoffphase gezeigt, in welchem trockene feste Katalysatorpartikel in fluidisierter Form kontinuierlich von einem Reaktionsgefäß zu einem Regenerationsgefäß für den Katalysator und zurück umlaufen. Der Katalysereaktor weist ein Reaktionsgefäß 41 auf, in welchem eine Reaktion zwischen Gaskomponenten stattfindet, die durch einen oder mehrere partikulierten Feststoff^) katalysiert werden. Die Vorrichtung ist im Zusammenhang mit einem einstufigen Reaktor-Regenerator zur Behandlung von Automobilabgasen beschrieben, obgleich natürlich das System auch in anderen Gasphasen mit feststoffkatalysierten Reaktionen verwendet werden kann, wobei ein partikulierter Katalysator kontinuierlich regeneriert und/oder gekühlt wird

Das Reaktionsgefäß 41 ist tubusförmig und gemäß Γ i g. 1 an einer festen Platte 42 befestigt, die ihrerseits von drei radial Abstand aufweisenden Spiralfedern 214 gehalten wird, weiche an entsprechenden, festen Halterungen 44 angehängt sind. Die Platte 42 hält das tubusförmige Reaktionsgefäß 41 im wesentlichen horizontal und trägt weiter ein langgestrecktes, tubusförmiges Regenerationsgefäß 46 für den Katalysator in im wesentlichen horizontaler Richtung und parallel zum Reaktionsgefäß 41. Ein Ableitungsrohr 48 wird von der Platte 42 ebenfalls im wesentlichen horizontal gehalten, und seine Enden öffnen sich in entsprechende Vorderabschnitte des Reaktionsgefäßes sowie des Regenerationsgefäßes. In ähnlicher Weise ist ein längliches Zuleitungsrohr 50 horizontal an die Platte angesetzt und erstreckt sich zwischen den Endabschnitten des Regenerationsgefäßes und des Reaktionsgefäßes. Wie man in F i g. 2 erkennt, befindet sich im Reaktionsgefäß ein partikulierter Feststoffkatalysator 52.

Ein Gaseinlaßrohr 54 mündet gemäß F i g. 2 in einen vorderen Abschnitt des Reaktionsgefäßes 41. Ein Blechrohr 56, das von einem Brennkraftmotor kommt, ist mit dem Einlaßrohr 54 über einen flexiblen Schlauch 57 verbunden. Ein langes Gasauslaßrohr 58 mündet in einen Endabschnitt des Reaktionsgefäßes 41. Ein flexibler Schlauch 59 verbindet das Gasauslaßrohr 58 mit dem restlichen Teil der Vorrichtung. Die Schläuche bestehen aus einem Material, das hohe Temperaturen aushaken kann und hinreichend flexibel ist, um eine dreidimensionale Bewegung der federgehal'enen Masse der Vorrichtung relativ zu ihren festen Teilen (wie Aufhängung 44 und Bleirohr 56) zu ermöglichen.

Während des Betriebs des Reaktors strömen Motorabgase durch das Reaktionsgefäß 41, in welchem gewisse Komponenten des Gases in der Anwesenheit des Katalysators 52 reagieren. Die nach der Kontaktierung mit dem Katalysator verbleibenden Gase verlassen das Reaktionsgefäß durch das Gasauslaßrohr 58. Im Betrieb wird die federgelagerte Masse mit hinreichend großer Amplitude und geeigneter Frequenz in Vibrationen versetzt, so daß auf den Katalysator eine fluidisierte Bewegung ausgeübt wird. Die fluidisierten Katalysatorpartikel laufen in einem zusammenhängenden Umlaufpfad vom Reaktionsgefäß durch das Regenerationsgefäß und zurück zum Reaktionsgefäß. Die Vibrationsbewegung der federaufgehängten Masse wird durch eine Vibrationsanordnung erzeugt, welche eine langgestreckte, feste Welle 216 aufweist, die an der Platte 42 in Lagern 222 gehalten ist. Obere und untere Gegengewichte 218 bzw. 220 werden von der Welle 216 getragen

und rotieren mit dieser unabhängig von der Platte 42. Ein Antriebsmotor 224 ist an eine sich vertikal erstreckende Torsionswelle 228 angeschlossen, die mit der festen Welle 216 gekuppelt ist, so daß der Antriebsmotor die Welle 216 dreht und die federaufgehängte Masse vibriert

Die Massen der Gegengewichte 218, 220 und der axiale Winkelversatz zwischen den Gegengewichten sind so eingestellt, daß relativ große Vibrationsamplituden mit geeigneter Phasenbeziehung zwischen der translatorischen und winkelmäßigen Komponente auf die federnd aufgehängte Masse einwirken, die ihrerseits den kontinuierlichen, umlaufenden Strom des Katalysators in fluidisiertem Zustand erzeugt. Wie am besten aus Fig.2 zu erkennen ist, fließt der Katalysator in Uhrzeigerrichtung vom Reaktionsgefäß 41 durch das Ableitungsrohr 48, das Regenerationsgefäß 46 und zurück durch das Zuleitungsrohr 50 in das Reaktionsgefäß. Im Regenerationsgefäß ist ein tubusförmiger Heizer 60 angeordnet, so daß die umlaufenden Katalysatorpartikel durch einen Rohrofen strömen. Zwei elektrische Leitungen 62 versorgen diesen Rohrofen mit elektrischer Energie. Eine für die Behandlung durch den Katalysator vorgesehene Gasströmung (beispielsweise durch Abtrennen von Kohlenstoff, indem Luft durch das Regenerationsgefäß streicht) gelangt durch ein offenes Ende 46a in das Regenerationsgefäß. Gasförmige Produkte aus der Katalysatorbehandlung verlassen das Regenerationsgefäß durch dessen anderes offene Ende 466. Der Rohrofen dient im Ausführungsbeispiel einer Hochtemperaturbehandlung und damit einer Regenerierung des Katalysators im Gefäß 46. Er wird hier nur beispielhaft erwähnt, weil es an sich selbstverständlich ist, daß auch andere Mittel zum Regenerieren der Feststoff-Katalysatorpartikel verwendet werden können.

Der Rohrofen 60 besieht aus dem gleichen Material wie die Katalysatorpartikel und wird auf einer wesentlich höheren Temperatur gehalten als die Katalysatorpartikel. Im Betrieb treffen die relativ kalten Katalysatorpartikel auf die relativ heiße Oberfläche des Rohrofens und werden dann von der Oberfläche freigegeben. Das Material und die Temperaturen werden so gesteuert, daß die wechselseitige Adhäsion der beiden sich berührenden Oberflächen größer ist als die innere Festigkeit des einen oder anderen Materials. Vorzugsweise sind die Partikel fest statt porös. Wenn die Partikel durch den Rohrofen laufen, schlagen einige Partikel auf die Oberfläche des Ofens und trennen sich dann an einer neuen Trennungslinie beim Freigeben, wodurch (in mikroskopischem Maßstab) eine neue Materialschicht von der Ofenoberfläche einen Teil der Außenfläche des freigegebenen Partikels bedeckt. Folglich wird bei jeder Kollision etwas frische Katalysator-Oberfläche geschaffen. Vollständige Regeneration der Partikel kann auf diese Weise durch kontinuierlichen Umlauf der Partikel durch den Rohrofen erzielt werden.

Im Ausführungsbeispiel läuft die Strömung des Motorabgases durch das Reaktionsgefäß 41 im Gegenstrom zur Strömung des Katalysators durch das Reaktionsgefäß. Diese relative Strömung erzeugt guten Kontakt zwischen dem Abgas und dem Katalysator. Das Voiümen des durch die Vorrichtung zirkulierenden Katalysators wird überwacht, so daß das Ableitungsrohr 48 und das Zuleitungsrohr 50 in voll gepacktem Zustand während des kontinuierlichen Durchlaufs des Katalysators gehalten werden. In diesem voil gepackten Zustand

bilden die Katalysatorparlikel eine wirksame Gasdichtung am Auslaß 41a und Einlaß 416 (siehe Fig. 2) des Reaktionsgefäßes, so daß die Gasströmung durch das Reaktionsgefäß aufrechterhalten und gleichzeitig verhindert wird, daß das Abgas durch das Ableitungsrohr 48 oder Zuleitungsrohr 50 zum Regenerationsgefäß gelangen kann. Der voll gepackte Zustand der Rohre 48, 50 kann durch Wahl ihrer lichten Weiten (im Verhältnis zu denen des Reaktionsgefäßes und des Regenerationsgefäßes) sichergestellt werden sowie außerdem/oder durch die Positionierung von öffnungen in dem Ableitungsrohreinlaß und ZuleitungsrohrauslaB.

Die beschriebene Vorrichtung gestattet ein kontinuierliches Umlaufen eines Katalysators durch ein eigenes Regenerationsgefäß und zurück durch ein Reaktionsgefäß, in welchem der Katalysator mit einem Gasstrom reagieren kann, der durch das Reaktionsgefäß strömt. Die fluidisierte Strömung des Katalysators durch das Reaktionsgefäß wird durch eine Einrichtung en:eugt, die unabhängig vom Gasstrom ist, und der Katalysator fließt in Gegenrichtung zum Gasstrom, was dazu beiträgt, daß ungewöhnlich große Gasstromdurchsatzraten die Katalysatorpartikel aus dem Reaktionsgefäß herauslassen. In einigen Anwendungsfällen mag es jedoch wünschenswert erscheinen, Einrichtungen zum Auffangen ungewöhnlich großer Katalysator-Abgangsmengen aus dem Reaktionsgefaß vorzusehen. F i g. 1 zeigt einen Vorschlag zum Einfangen großer Katalysa-

ή tormengen, nämlich einen zusätzlichen Zyklonabscheider 64. Sämtliche Abgase aus dem Reaktionsgefäß 41 laufen durch das Gasauslaßrohr 58 und werden dann zu dem Zyklonabscheider durch eine Einlaßleitung 66 geführt, die über einen flexiblen Schlauch 59 mit dem

lu Auslaßrohr 58 verbunden ist. Sämtliche nach der Behandlung durch den Katalysator im Reaktionsgefäß verbleibenden Gase gelangen aus dem Zyklonabscheider durch eine Gasaustrittsleitung 70 in die Atmosphäre. Sollten ungewöhnlich große Katalysatorentnahmen, etwa durch Spätzündung des Motors oder durch andere ungewöhnlich große Durchsatzraten des Gases durch das Reaktionsgefäß auftreten, dann gelangen diese durch die Einlaßleitung 66 in den Kopf des Zyklonabscheiders und werden dann durch den Abscheider hindurch und durch eine Parallelleitung 71 in das Zuleitungsrohr 50 geleitet. Die Parallelleitung ist mit dem Boden des Zyklonabscheiders durch einen flexiblen Schlauch 72 verbunden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Inberührungbringen eines körnigen Katalysators oder ähnlichen Gutes mit einem Gas, die ein im wesentlichen horizontal angeordnetes Reaktionsgefäß aufweist, das jmit einem Vibrator verbunden ist und quer zur Strömungsrichtung geschlossenen Querschnitt hat und mit gesonderten Einlassen und Auslassen für das Gas und das Gut versehen ist, wobei der Einlaß für das Gut und der Auslaß für das Gut an einer Seite des Reaktionsgefäßes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (4\b) für das Gut mit einem Zuleitungsrohr (50) verbunden ist, welches mit einem Regenerationsgefäß (46) sowie einem mit der Gut-Auslaßöffnung (41.a) verbundenen Ableitungsrohr (48) zu einem horizontal gelagertem Kreislauf für das Gut angeordnet ist, ur.-d daß das Volumen des unter Vibrationseinfluß strömenden Gutes den geschlossenen Querschnitt der Gefäfle (41, 4«) und Rohre (48, 50) gleichmäßig ausfüllt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gas-Einlaß (54) und der Gas-Auslaß (58) an gegenüberliegenden Seiten des Reaktionsgefäßes (41) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gas-Einlaß (54) und der Gas-Auslaß (58) auf gleicher Höhe am Reaktionsgefäß (IiI) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis X dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß aus einem Hohlrohr mit abgeschlossenen Stirnflächen besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Reaktionsgefäßes größer als der Querschnitt des Regenerationsgefäßes ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß-Öffnung (4ib)für das Gut am Reaktionsgefäß kieiner als die Auslaß-öffnung(41ajfürdasGutist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaß-Öffnung (58) für das Gas mit einem Gut-Abscheider (W) verbunden ist, dessen Gut-Sammelbehälter über ein weiteres Rohr (71) mit dem Zuleitungsrohr (50) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis /', dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Regenerationsgefäßes (46) eine Heizvorrichtung (60) angeordnet ist.

9.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des Gases hinter dem Gas-Auslaß (58) des Reaktionsgefäßes (41) ein Zyklonabscheider (64) mit einer Gas-Austrittsleitung (70) und einer zum Zuleitungsrohr (50) führenden Leitung (70) angeordnet ist.