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Reaktor
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Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur DurchfUhrung exothermer
katalytischer Reaktionen mit einem Gehäuse, mit einem Katalysatorsystem und mit
Zuleitungen für die Reaktionsgase.
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In Reaktoren zur DurchfUhrung exothermer katalytischer Reaktionen
werden kontinuierlich chemische Umsetzungen durchgeführt, bei denen unter Freiwerden
von Wärme in Abhängigkeit von den den zugeführten Reaktionsgasen neue Reaktionsprodukte
entstehen.
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Das Gehäuse eines derartigen Reaktors ist infolge des Drucks
der
zugeführten Reaktionsgase und der bei der chemischen Ulsetzung freiwerdenden großen
Wärmemenge erheblichen Belastungen ausgesetzt. Um ein Uberschreiten zulässiger Belastungen
zu vermeiden, arbeiten~ die bekannten Reaktoren mit möglichst niedrigen Reaktionstemperaturen.
Dies kann sich Jedoch fUr den Umsetzungsvorgang insbesondere filr den stündlichen
Durchsatz nachteilig auswirken. Eine niedrige Reaktionstemperatur bewirkt weiterhin,
daß die Reaktionsprodukte mit entsprechend niedriger Temperatur den Reaktor verlassen.
Die bei der chemischen Umsetzung freiwerdende Wärme kann aber umso besser genUtzt
werden, Je höher die Temperatur der den Reaktor verlassenden Reaktionsprodukte ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor zur DurchfUhrung
exothermer katalytischer Reaktionen zu schatten, der innerhalb eines optimalen Temperaturbereichs
tUr die chemische Umsetzung betreibbar ist und bei dem insbesondere die Reaktionsprodukte
mit größtmöglicher Temperatur den Reaktor verladen.
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Die Ldsung der Aufgabe gelingt ertindungsgemKß durch einen innerhalb
des Gehäuses angeordneten, zwischen sich und dem Gehäuse einen Ringraum bildenden
Mantel, der das Katalysatorsystem umschließt und durch im Ringraum und innerhalb
deg Katlysatorsystems angeordnete KUhlrohre, wobei mindestens eine
der
Zuleitungen fUr die Reaktionsgase in den Ringraum mUndet.
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Bei einem erfindungsgemäßen Reaktor ist somit das Gehäuse im wesentlichen
nur noch Druckbelastungen ausgesetzt. Das Gehäuse wird sowohl durch KUhlmittel,
das in den KUhlrohren, die im Ringraum angeordnet sind, strömt, als auch von dem
Teil der Reaktionsgase, die in den Ringraum geleitet werden, gekühlt. Der Mantel,
der das Katalysatorsystem unmittelbar umschließt und mit diesem in direktem Kontakt
steht, ist im wesentlichen thermischen Benstungen ausgesetzt. Eine Erhöhung der
Reaktionstemperatur bedeutet somit nicht mehr automatisch eine Erhöhung der Temperatur
und damit der Belastung des Gehäuses. Deshalb kann der Reaktor bei einer erheblich
höheren Reaktionstemperatur gefahren werden, weshalb die austretenden Reaktionsprodukte
ebenfalls wesentlich höhere Temperatur aufweisen können. Durch KUhlmittelJ die durch
die in den Katalysatorsystem angeordneten KUhlrohre geleitet werden, kann dabei
die Reaktionstemperatur in einfacher Weise 1 auf einen optimalen und konstanten
Niveau gehalten werden. Ein Teil der bei der chemischen Umsetzung frei werdenden
Warme, kann bei einem erfindungsgemäßen Reaktor außerdem dazu benUtzt werden, den
Teil der Reaktionsgase auf Anspringtemperatur zu erwärmen, der in den Ringraum geleitet
wird.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Reaktors kann in ein facher und energetisch
günstiger Weise ein methanreiches Gas hergestellt werden. Weiterhin ist es möglich,
den erfindungsgemaßen Reaktor zur DurchfUhrung anaerer exothermer Reaktionen, wie
z.B. der Gewinnung von Methanol oder von Formaldehyd, zu verwenden.
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Als besonders gUnstig erweist es sich, wenn mindestens eine der Zuleitungen
fUr die Reaktionsgase mit Röhren in Verbindung steht, die im Katalysatorsystem angeordnet
sind und die Austrittsöffnungen aufweisen. Durch diese Zuleitungen können die Reaktionsgase
unmittelbar in das Katalysatorsystem eingebracht werden. Es können mit diesem System
auch verschiedene Reaktionspartner nacheinander einzeln dem Reaktionsraum zugeführt
werden.
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Mit Vorteil münden die Zuleitungen, die mit den im Katalysatorsystem
angeordneten Rohren in Verbindung stehen, in Saninelkanäle von denen die Rohre ausgehen.
Die von den SammelkanKlen ausgehenden Rohre können verschiedene Längen aufweisen.
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Dadurch ist es möglich die Reaktionsgase in bestimmte Bereiche des
Katalysatorsystems zu fUhren.
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Eine bevorzugte AusfUhrung des erfindungsgemäßen Reaktors ergibt
sich, wenn die Sammelkanäle ringförmig ausgebildet sind und die Rohre parallel zur
Achse des Reaktors angeordnet sind.
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Ein besonders gUnstiger Ablauf des chemischen Umsetzungsvorganges
wird dadurch ermöglicht, daß die Rohre an ihren freien Enden verschlossen sind und
in dem die benachbarten ktlrzeren Rohre Uberragenden Bereich Schlitze aufweisen
und daß die kUrzesten Rohre in ihrem in das Katalysatorsystem eintauchen-Ii den
Bereich Schlitze aufweisen. Die Reaktionsgase werden somit nicht in verschiedenen
Ebenen dem Katalysatorsystem zugefUhrt, sondern nahezu Uber das gesamte Katalysatorsystem
verteilt eingeleitet.
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Eine eventuell zu starke, nachteilige Abkühlung des Katalysatorsystems
Uber den Ringraum kann dann vermieden werden, wenn auf der Außenseite des Mantels
eine Wärmeisolierung angeordnet ist.
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Eine einfache FUhrung des KUhlmittels ergibt sich, wenn die Strömungsquerschnitte
der KUhlrohre im Ringraum mit denen der Kühlrohre innerhalb des Katalysatorsystems
hintereinander geschaltet sind.
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Die Wirkung des durch die Kühlrohre geführten KUhlmittels kann dadurch
erhöht werden, daß die KUhlrohre schraubenförmig gewickelt sind.
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Anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten erfindungsgemäßen
Reaktors zur DurchrUhrung exothermer katalytischer Reaktionen wird die Erfindung-näher
erläutert.
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Der gezeigte erfindungsgemäße Reaktor besitzt ein Gehäuse, das im
wesentlichen aus einem zylindrischen MittelstUck 1 mit einem Flansch 2 an seinem
oberen Ende, aus einer unteren Abschlußhaube 3 mit einer AbstUtzungund aus einer
oberen, gewölbten Abschlußhaube 4 mit einem Flansch 5, besteht. Das MittelstUek
1 und die untere Abschlußhaube 3 sind miteinander verschweißt.
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Die obere Abschlußhaube 4 ist an das MilttelstUck 1 Uber die Flansche
2 und 5, angeflanscht. Ein zwischen den Flanschen 2 und 5 eingespannter Ring 6 enthält
die AnschlUsse fUr die ZufUhrung 7 und die Ableitung 8 von Kältemittel. Konzentrisch
zum MittelstUck 1 des Gehäuses ist der Mantel 9 angeordnet, so daß zwischen MittelstUck
1 und Mantel 9 ein Ringraum 10 gebildet ist.
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Auf der Außenseite des Mantels 9 ist eine Wärmeisolierung 11 angeordnet.
Der Mantel 9 umschließt unmittelbar das Katalysatorsystem. Das Katalysatorsystem
besteht im wesentlichen aus einem den Mantel 9 abschließenden Rost 12, einem darauf
angeordneten Spaltsieb 13, einer auf dem Spaltsieb 13 auf&ebrachten Schicht
14 eines inerten Materials, beispielsweise Tonkugeln, einem die Tonkugeln bedeckenden
Maschensieb 15 und einer KatalysatorschUttung
35. Zu einem Wickel
mit nur einer Lage gebogene KUhlrohre 16 sind im Ringraum 10, außerhalb der Isolierung
11 eingebracht.
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Der Durchmesser der KUhlrohre 16 kann genau der Breite des freien
Ringraumes entsprechen. Die KUhlrohre 16 stehen Uber einem in der Abschlußhaube
4 befindlichen Verteiler, beisplelsweise einem zu einem Ring gebogenen Verteilerrohr
17, mit der Zuführung 7 in Verbindung. Ein weiterer Wickel von KUhlrohren 18 ist
im Katalysatorsystem eingebracht. Die Strömungsquerschnitte der KUhlrohre 16 im
Ringraum sind mit denen der KUhlrohre 18 innerhalb des Katalysatorsystems hintereinander
geschaltet. Die im Katalysatorsystem eingebrachten KUhlrohre 18 sind mehrlagig auf
einem Kernrohr 19 aufgewickelt. Die KUhlrohre 18 mUnden in einen Sammler, beispielsweise
ir. ein zu einem Ring gebogenen Sammelrohr 20. Das Sammelrohr 20 steht mit dem Auslaß
8 in Verbindung. Am Sammelrohr 20 sind Stege 21, die der Halterung der KUhlrohre
16 dienen, befestigt. Weiterhin ist das Sammelrohr 20 an seiner Unterseite mit dem
Mantel 9 gasdicht verschweißt. Bin auf der Oberseite des Sammelrohres 20 aufgebrachter
Steg 22 dient als Flansch fUr einen Trichter 23. Der Trichter 23 geht in ein Auslaßrohr
24 fUr die Reaktionsprodukte Uber, das eine Einrichtung 25 zum Ausgleich von tängenänderungen
aufweist. Auslaßrohr 24-und obere Abschlußhaube 4 sind gegenb-Lnander abgedichtet.
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Das Kernrohr 19 ist an seinem unteren Ende mit einer Abschlußplatte
26 verbunden, die in der unteren Abschlußhaube 3 gelagert ist. Die Abschlußhaube
26 durchdringen Zuleitungen 27 fUr die Reakffbnsgase. Von den beispielsweise 5 Zuleitungen
ist nur eine gezeichnet. Jede der Zuleitungen mUndet in einen eigenen Sammelkanal
28, beispielsweise einem ringförmig gebogenen Rohr. Von den Sammelkanälen 28 ausgehend
ragen Rohre 29 mit Austrittsöffnungen in das Katalysatorsystem, Die Jeweils vom
gleichen Sammelkanal ausgehenden Rohre 29 können gleiche, die von verschiedenen
Sammelkanälen ausgehenden Rohre 29 können verschiedene Längen besitzen. Die Rohre
29 sind an ihren freien Enden verschlossen und weisen jeweils in dem die benachbarten
kUrzeren Rohre 29 Uberragenden Bereich 30 Schlitze auf. Die Öffnungsquerschnitte
der Schlitze betragen beispielsweise etwa das 1,5-fache des Rohrquerschnitts. Die
Schlitze sind so schmal ausgelegt, daß ein Eindringen von Katalysatormaterial in
die Rohre 29 vermieden wird. Die ktirzesten Rohre 29 können auf ihrer gesamten,
in das Katalysatorsystem eintauchenden Länge Schlitze aufweisen. Tragarme 31 verbinden
das obere Ende des Kernrohres 19 mit dem Sammelrohr 20. An Tragarmen 31 ist die
Wicklung der im Katalysatorsystem angeordneten KUhlrohre 18 mittels nichtgezeigter
Stege aufgehängt.
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Im oberen Bereich des Ringraumes 10 mtindet eine weitere Zuleitung
32
fUr einen Teil der Reaktionsgase. An der oberen Abschlußhaube 4 ist ein Entlüftungsstutzen
33 angebracht. Der Trichter 23 und das Auslaßrohr 24 sind mit einer Wärmeisolierung
34, beispielsweise Glaswolimatten, versehen.
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Nach Entfernen der oberen Abschlußhaube 4 können die Ubrigen Reaktorteile
aus dem Mittelteil 1 herausgezogen werden.
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Zu diesem Zweck stehen diese Reaktorteile starr mit dem Ring 6 in
Verbindung.
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Der dargestellte Reaktor eignet sich inbesondere zur Erzeugung von
Methan aus Wasserstoff und Kohlenstoffoxiden. Bei der Herstellung von Methan wird
dem dargestellten erfindungsgemäßen Reaktor etwa ein Sechstel der Gesamtmenge der
Reaktionsgase bei der Zuleitung 32 in den Ringraum 10 zugeführt. Dieser Teil der
Reaktionsgase strömt von oben nach unten durch den Ringraum und wird so auf die
Anspringtemperatur des Katalysatorsystems aufgeheizt. Nach Verlassen des Ringraumes
10 wird dieser Teil der Reaktionsgase um 1800 umgelenkt und durchströmt dann das
Katalysatorsystem in seiner gesamten Länge. Die auf der Oberseite des Katalysatorsystems
austretenden Reaktionsprodukte, vorwiegend Methan, werden im Trichter 23 gesammelt
und Uber AuslaBrohr 24 aus dem Reaktor gefUhrt. Die Ubrige Menge der Reaktionsgase
wird
auf die funf Zuleitungen 27, beispielsweise gleichmäßig, verteilt
und Uber die Sammelkanäle 28 und die Rohre 29 direkt in das Katalysatorsystem eingebracht
und vorwiegend in Methan umgesetzt.
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Das so gewonnene Methan verläßt den Reaktor mit einer Temperatur von
ca. 6000 C. Gleichzeitig mit der Zuleitung der Reaktionsgase erfolgt die ZufUhrung
von KUhlmittel, insbesondere von Wasser und Wasserdampf. Der Anteil an Wasser wird
so hoch gewählt, daß im Reaktor keine Uberhitzung des Wasserdampfes stattfinden
kann. Das KUhlmittel tritt Uber die ZufUhrung 7 in den Reaktor ein und wird Uber
das Verteilrohr 17 auf die KUhlrohre 16 verteilt. Das KUhlmittel strömt zunächst
in den KUhlrohren 16 durch den Ringraum 10 und kUhlt das Mittelstück 1. Damit wird
das MittelstUck 1 des Gehäuses vor zu hohen Temperaturen geschUtzt. Gleichzeitig
verhindert die Isolierung 11 eine nachteilige, eventuell zu starke AbkUhlung des
Katalysatorsystems. Nach Durchströmen der im Ringraum angeordneten KUhlrohre wird
das KUhlmittel in den im Katalysatorsystem angeordneten KUhlrohren 18 wieder zurUckgeführt.
Durch das die KUhlrohre 18 durchströmende KUhimittel wird das Katalysatorsystem
stets auf einer für die chemische Umsetzung gUnstigen Temperatur gehalten. Das KUhlmittel
wird schließlich im Sammelrohr 20 gesammelt und Uber Ableitung 8 aus dem Reaktor
geführt. Die
heißen, aus dem Reaktor abgeleiteten Reaktionsprodukte
können dann in einen Wärmetauscher gefUhrt werden und dort in Wärmetausch mit dem
erwärmten, ebenfalls aus dem Reaktor stammenden KUhlmittel treten.
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L e e r s e i t e