DE2712371C2

DE2712371C2 - Radialstromreaktor zur Durchführung von endothermen, katalytischen Reaktionen

Info

Publication number: DE2712371C2
Application number: DE2712371A
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Dipl.-Ing. 4370 Marl Botthof; Peter Dipl.-Ing. Schimpff; Helmut Dr. 4358 Haltern Westernacher
Original assignee: Chemische Werke Huels AG
Current assignee: Huels AG
Priority date: 1977-03-22
Filing date: 1977-03-22
Publication date: 1983-10-06
Also published as: FR2384539A1; DE2712371A1; GB1598467A; IT7848496A0; BE865145A; NL7803052A; US4205045A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Radialstromreaktor zur Durchführung von endothermen, katalytischen Reaktionen, mit einem zentral angeordneten ersten Kanal und um den Kanal angeordnetem Katalysatorbett sowie mit wenigstens einem weiteren Kanal, der am Außenrande des Katalysatorbettes angeordnet ist.

Gemäß DE-AS 15 93 372 ist es bekannt, die katalytische Dehydrierung u. a. von alkylierten aromatischen Kohlenwasserstoffen zu vinylsubstituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen in einem Radialstromreaktor durchzuführen. Die für die Reaktion notwendige Wärme wird dem Radialstromreaktor durch überhitzten Dampf zugeführt, wobei Dampf und z. B. Ethylbenzol in einem Verhältnis von 2 :1 zuströmen. Diese Art der Energiezufuhr wird jedoch vielfach als zu undosiert und auch unrationell empfunden, weil auf der einen Seite der Dampf im Reaktor seine Energie, vorzugsweise lokal abgibt und außerdem die Energiezufuhr in einem solchen Maße erfolgt, daß das Ausgangsmaterial teilweise thermisch zersetzt wird und damit verloren geht.

Es stellt sich demnach die Aufgabe, die Wärmeeingabe bei Radialstromreaktoren besser zu dosieren und über das Reaktor- bzw. Katalysatorvolumen besser verteilen zu können. Diese Aufgabe wird gemäß einem Teilaspekt der Erfindung dadurch gelöst, daß in das Reaktorbett Heizelemente eingebettet werden.

Eine solche Einbettung von Heizelementen ist an sich für Reaktoren bekannt (siehe z. B. DE-OS 14 18 975). In dieser OS wird vorgeschlagen, daß dem Katalysator durch indirekte Wärmeübertragungsmittel Wärmeenergie zugeführt wird. Es wird vorgeschlagen, anstelle dei bekannten Maßnahmen, nach dem Reaktoreinlaß zusätzlichen Dampf einzuführen, die benötigten Wärmemengen dadurch indirekt zuzugeben, daß Vorrichtungen, wie elektrische Heizschlangen bzw. Heizstäbe,

ίο im Katalysatorbett vorhanden sind.

Dem Stand der Technik ist demnach nicht zu entnehmen, wie bei einem Radialstromreaktor die Heizelemente anzuordnen und zu konstruieren sind. Es findet sich in der Literatur (Ulimanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, Band 3,1973, S. 471) ein Hinweis, daß üblicherweise die Heizelemente in Zwischenräume zwischen einzelnen Abschnitten von Katalysatorbetten eingebaut werden. Zwar wird auch empfohlen, die Wärmeaustauscherrohre direkt in den Kontakt zu legen. Dabei wird jedoch als nachteilig bezeichnet, daß diese Anordnung nur dort angewandt werden kann, wo der Katalysator sehr selten gewechselt werden muß, da die Rohre beim Wechseln hinderlich sind.

In der DE-AS 11 38 380 wird eine Anordnung von Heizelementen beschrieben, bei deren Ausbau der Reaktor demontiert werden muß. Das Teil der Reaktorkammer, das die Heizelemente trägt, kann erst herausgenommen werden, wenn vorher weitere Bauteile entfernt worden sind.

In der US-PS 27 15 671 werden spiralförmige Heizkörper beschrieben. Falls solche Heizkörper in ein Katalysatorbett eingelagert werden, erschweren sie den Wechsel des Katalysators beträchtlich.

Aus der US-PS 34 79 143 sind gestreckte Heizelemente bekannt, die entweder an ihren beiden Enden an Halteplatten befestigt sind oder durch Halteplatten locker hindurchgeführt werden. Falls diese Heizelemente nur an einem Ende gehalten werden, wird der elektrische Kontakt am anderen Ende durch biegsames Material hergestellt. Der Wechsel des Katalysators wird durch derartige Anordnungen der Heizelemente erschwert.

Es stellt sich also insgesamt die Aufgabe, beheizbare Radialstromreaktoren vorzusehen, bei denen Katalysator und Heizelemente, die beide einem Verschleiß unterliegen, leicht auswechselbar sind, ohne daß die Konstruktion des Reaktors wesentlich von den bewährten Bauprinzipien abweichen muß. Es stellt sich weiterhin die Aufgabe, die Steuerungsmöglichkeiten der Beheizung dadurch zu vergrößern, daß einzelne Abschnitte des Katalysatorbettes verschiedene Temperaturen einnehmen. Auf die Notwendigkeit einer sorgfältigen Temperaturführung wird beispielsweise auch in der eingangs genannten DE-OS 14 18 975 bereits hingewiesen.

Außerdem soll der neue Reaktor sowohl horizontal als auch vertikal durchströmt werden können. Zusammengefaßt: Es soll mit dem neuen Reaktor möglich sein, Wärme auf einfache Weise einzubringen, wobei die

⁶<> Konstruktion gleichzeitig den Vorteil bieten soll, den Katalysator in arbeitssparender Weise wechseln zu können.

Diese Aufgabe wird bei einem Radialstromreaktor gelöst, bei dem in das Katalysatorbett Heizelemente eingebettet sind, die als gestreckte Heizstäbe gestaltet sind, welche mit ihrem einen Ende in den Reaktorraum frei hineinragen und mit ihrem anderen Ende auf Basisplatten befestigt sind, wobei die Basisplatten Teile

der Wandung des Reaktorraumes sind, mit dem Reaktorgehäuse lösbar verbunden sind und an einer Flachseite des zylinderförmigen Reaktor^ehäuses angebracht sind.

Mit derartigen Heizelementen ist es möglich, das Auswechseln der Heizstäbe und der Katalysatormasse in einfacher Weise durchzuführen. Die Basisplatten können vorzugsweise an der unteren Flachseite eines zylinderförmigen Reaktors angeordnet sein. Der Produktstrom sollte quer zu den Heizstäben geführt werden. Die Anordnung der geraden Heizstsbe auf einer Basisplatte, die mit dem Reaktorkörper lösbar verbunden wird, erlaubt bei einem Katalysatorwechsel durch Herausziehen des mit der Basisplatte verbundenen Heizstabbündels einen einfachen, schnellen und kostengünstigen Austrag der verbrauchten Kontaktmasse. Dazu wird die Basisplatte an der Unterseite von dem Reaktorkörper gelöst, mit Hilfe de- Gabel eines Gabelstaplers abgesenkt, so daß die Katalysatormasse herausfallen kann bzw. durch einfaches Drehen der Platte aus den Heizstabbündsln herausrieselt

Hierzu ist es zweckmäßig, den Reaktor mit einer Flachseite auf ein Gerüst zu stellen. Die Basisplatten liegen oberhalb einer gegebenenfalls vorhandenen Isolierschicht und sind z. B. durch eine Schweißnaht mit dem Reaktorkörper verbunden.

Vorzugsweise werden die Heizelemente im wesentlichen aus zylindrischen Keramikröhren bestehen, in die an sich bekannte, elektrisch beheizbare Metallwendel eingeschoben sind. Zum Schütze gegen Korrosion und 3d mechanischen Verschleiß wird empfohlen, das Heizelement mit einer glatten oder gerippten Metallhülse zu umgeben.

Die elektrische Beheizung erlaubt in einfacher Weise eine Steuerung der Heizleistung und der Wärmevertei- J5 lung innerhalb der Heizstabbündel. Hierzu ist es zweckmäßig, dcß jeweils ein oder mehrere Bündel mit einer festgelegten Anzahl von Heizelementen zu Abschnitten zusammengefaßt werden, die jeweils mit einer bestimmten Heizleistung steuerbar beaufschlag·· bar sind. Die Heizelemente werden elektrisch zu Unter- und Hauptgruppen zusammengefaßt, die Energiezufuhr ist nach Bedarf getrennt und/oder gemeinsam regelbar. Auf diese Weise ist es möglich, jedes gewünschte Temperatur-Profil im Reaktor einzustellen. Dabei ist es zweckmäßig, die einzelnen Abschnitte bei einem zylinderförmigen Reaktor konzentrisch um den ersten Kanal anzuordnen und jeweils ringförmige, getrennt beheizbare Zonen dadurch zu bilden.

Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung >o und weiterer, zugehöriger Einzelheiten, werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen

F i g. 1 einen Reaktor gemäß Erfindung im Querschnitt und in Seitenansicht;

Fi g. 2 Einzelheiten des Aufbaues des Reaktorgehäuses;

F i g. 3 eine Draufsicht auf eine Schnittebene gemäß der Linie III... Ill in F ig. 1;

Fig.4 die Anordnung der Heizelemente auf einer Basisplatte;

F i g. 5 ein Heizelement in Einzeldarstellung.

In F i g. 1 ist ein Radialstromreaktor 1 schematisch dargestellt. Der Reaktor ist zylindrisch aufgebaut. Der Reaktor ist senkrecht auf einem Gerüst 30 aufgebaut, das eine aus sternförmig angeordneten Balken 31 bestehende Stützfläche aufspannt. Die Balken 31 können durch weitere Standbalken unterstützt werden, es ist aber auch möglich, an der Reaktorwand Pratzen vorzusehen, mittels derer der Reaktor in eine Tragekonstruktion 32 eingesetzt werden kann.

Der Produktstrom wird durch einen zentral angeordneten ersten Zuführkanal 2 eingeführt und gelangt nach Reaktion durch einen Sammelringkanal (zweiter Kanal) 3 nach außen. Der Reaktor verfügt über ein äußeres Druck-Reaktorgehäuse 4, das aus einer entsprechenden Nickel-Stahllegierung hergestellt ist Wie in F i g. 1 angedeutet, ist um den Reaktor noch eine Isolierschicht 5 gelegt, die für eine Wärmeisolierung sorgt

Der Boden des Reaktors ist aus Basisplatten 9 gebildet, die mit zahlreichen Heizstäben 7, 8, die senkrecht von den Basisplatten 9 nach oben stehen, bestückt sind. Die Platten 9 liegen oberhalb einer Isolierschicht 5. Der Reaktorraum 11 ist mit einer rieselfähigen Katalysatormasse gefüllt

Nach Verbrauch der Katalysatormasse muß diese ausgebracht wenden, d. h. aus dem Reaktorraum entfernt werden. Ein solches Ausbringen wird dadurch wesentlich erleichtert, daß die Basisplatten 9, die im Bereich der Unterseite des Reaktorraumes angeordnet sind, mit diesem lösbar verbunden sind. Wie in F i g. 2 angedeutet ist ist es dazu lediglich erforderlich, die Basisplatten, zusammen mit der Isolierung nach unten abzunehmen. Dies wird beispielsweise dadurch erleichtert, daß hier eine Verschraubung vorliegt oder daß nur ein oder zwei Schweißnähte zu trennen sind.

F i g. 2 zeigt weiterhin, daß unterhalb der Basisplatten und der unteren Isolierschicht elektrische Schaltkästen 33 angeordnet sind. Diese Schaltkasten sind in ihrer Kontur an die Basisplatten angepaßt. Über getrennte Stromzuführungen 17 werden sie mit Energie versorgt. Jeder der einzelnen Schaltkasten 33 kann also getrennt geschaltet werden. Es lassen sich daher mit den Schaltkästen mehrere Heizzonen (9', 9", 9'") herstellen, die unterschiedlich beheizt werden können.

Bei den Heizelementen handelt es sich um Heizstäbe, wie sie in F i g. 5 dargestellt sind. Sie bestehen aus einem massiven zylindrischen Keramikstab 15, in den an sich bekannte, elektrisch beheizbare Metallwendel bzw. durch weitere Keramikrohre geschützte elektrische Leitungen eingeschoben sind. An den Austrittsstelien sind die elektrischen Anschlüsse 17 zu erkennen. An seinen Stirnseiten 18 ist der Keramikstab geschlossen. Als Material für derartige Stäbe eignet sich z. B. eine unter dem Namen »Pythagoras« im Handel befindliche Keramikmasse. Um den Keramikstab gegen korrosive und abrasive Einflüsse zu schützen, ist er noch mit einer Metallhülse 19 umhüllt.

In den F i g. 1 und 2 ist erkennbar, daß in der Mitte des Reaktorgefäßes sich die Zuführung, nämlich ein perforiertes Rohr, der Zuführungskanal 2, befindet. Aus Fig.3 wird sichtbar, daß die einzelnen Basisplatten beispielsweise die Form von Ringsektoren 9', 9", 9'" haben. Vom Zuführkanal 2 gelangt das Ausgangsgas durch das Katalysatorbett von innen nach außen zunächst bis zu einer perforierten Begrenzungswand 34 aus Wellblech und durch die durch die Wellungen gebildeten Kanäle 34' bis zu einer Sammelleitung 3, die am oberen Rand des Reaktorgefäßes angeordnet ist. Von dort gelangt es über den Ausgangskanal 3' in eine Sammelvorrichtung oder dergleichen. Die Wandung des Reaktorgehäuses ist seitlich durch einen Stahlmantel gebildet, der von außen von einer Isolierschicht umgeben ist.

Die Heizstäbe sind so angeordnet, daß pro m² Flächeneinheit der RasiRnlattpn ■?"? Kic «;fv\ κ=.,«-,..-.

100 bis 200 Heizstäbe angebracht sind. Die Heizstäbe haben eine Länge von 1 =0,5 bis 5 m, bevorzugt 1 bis 3 m. Ihr Durchmesser d beträgt 1 bis 8 cm, bevorzugt 3 bis 5 cm. Die Wandstärke der Rohre beträgt 2 bis 3 mm. Sie ragen aus der Basisplatte heraus, und zwar soweit, daß die Anschlüsse über die Isolierschicht 5 nach unten herausstehen können. Die Heizstäbe sind in einem Abstand a von 2 bis 20 cm (bevorzugt 5 bis 10 cm) voneinander, jeweils von Außenseite zu Außenseite gemessen, montiert. Die mit Heizstäben versehenen Basisplatten werden durch entsprechende Aussparungen in den Boden des Reaktorkörpers eingeführt und mit der übrigen Wandung eventuell abdichtend verschweißt.

Durch die Anordnung der Heizstäbe in verschiedenen Gruppen ist es möglich, ein bestimmtes Temperaturprofil innerhalb der Reaktionszonen herzustellen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Radialstromreaktor zur Durchführung von endothermen, katalytischen Reaktionen, mit einem zentral angeordneten ersten Kanal und um den Kanal angeordnetem Katalysatorbett sowie mit wenigstens einem weiteren Kanal, der am Außenrande des Katalysatorbettes angeordnet ist,
gekennzeichnet durch

a) in die Katalysatorfüllung eingebettete Heizelemente, die als gestreckte Heizstäbe (7, 8) gestaltet sind, welche mit ihrem einen Ende in den Reaktorraum (11) frei hineinragen und
mit ihrem anderen Ende auf Basisplatten (9) befestigi sind, wobei

die Basisplatten (9) Teile der Wandung des Reaktorraumes sind,

mit dem Reaktorgehäuse (4) lösbar verbunden sind und

an einer Flachseite des zylinderförmigen Reaktorgehäuses angebracht sind.

2. Radialstromreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbaren Basisplatten (9) an der unteren Flachseite des mit vertikaler Achse aufgestellten zylinderförmigen Reaktors angebracht sind.

3. Radialstromreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Heizelemente, die mit einer festgelegten Anzahl bündelweise zu Abschnitten (9', 9") zusammengefaßt sind.

4. Radialstromreaktor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch getrennt beheizbare Bündel von Heizelementen, die im zylinderförmigen Reaktor konzentrisch um den ersten Kanal (2) angeordnet sind.

b)
c)
d)
e)