DE2834358C3 - Katalytischer Reaktor - Google Patents

Katalytischer Reaktor

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DE2834358C3 DE2834358A DE2834358A DE2834358C3 DE 2834358 C3 DE2834358 C3 DE 2834358C3 DE 2834358 A DE2834358 A DE 2834358A DE 2834358 A DE2834358 A DE 2834358A DE 2834358 C3 DE2834358 C3 DE 2834358C3
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Description

a) die plattenförmigen Katalysatoren innerhalb des Reaktors in mehreren Gruppen angeordnet sind, und innerhalb einer Gruppe parallel im Abstand zueinander so ausgerichtet sind, daß sich ihre Vorderkanten in Querrichtung zur Längsrichtung erstrecken, und
b) die Gruppen von plattenförmigen Katalysatoren so zueinander angeordnet sind, daß die Vorderkanten der plattenförmigen Katalysatoren in £iner Gruppe die Richtung der Vorderkante der plattenförmigen Katalysatoren in der unmittelbar benachbarten Katalysatorgruppe kreuzt, so daß die Vorderkanten der plattenförmigen Katalysatoren dem in dem Gasreaktor aufsteigenden Gas ausgesetzt sind.
2. Katalytischer Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L(m) jedes der plattenförmigen Katalysatoren folgender Bedingung genügt:
80 EP ■ Ug < L < 300 & · Ug
worin ß(m) den Abstand zwischen den plattenförmigen Katalysatoren und UJjn/s) die Geschwindigkeit des in dem Reaktor strömenden Cases bedeuten.
Die Erfindung betrifft einen katalytischen Reaktor zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen mit mehreren plattenförmigen Katalysatoren, die derart im Abstand zueinander angeordnet sind, daß sie Gasdurchgänge einschließen. Ein solcher Reaktor ist speziell zur Behandlung von Gasen geeignet, die einen hohen Anteil an Staub enthalten.
Zur Behandlung von Gasen, die große Anteile an Staub enthalten, wurden bisher in weitem Umfang katalytische Wirbelschichtreaktoren angewendet Diese katalytischen Reaktoren haben jedoch insofern Nachteile, als ein großer Anteil an Katalysator durch das Austragen des Katalysators während des Betriebs verloren geht und daß der Katalysator nicht gleichmäßig transportiert wird, wodurch ungleichförmige Gasströme verursacht werden und somit die katalytische Reaktion nicht ausreichend durchgeführt werden kann. Um andererseits zu vermeiden, daß der in dem Gas vorliegende Staub durch den Katalysator aufgenommen wird, wurde ein katalytischer Reaktor entwickelt, in welchem plattenförmige Katalysatoren in Bienenwabenform angeordnet sind, so daß sie zahlreiche geradlinige Strömungsdurchgänge begrenzen, wie beispielsweise aus dem japanischen Gebrauchsmuster Nr. 6673/1977 ersichtlich ist Wenn ein Staub enthaltendes Gas die geradlinigen Strömungsdurchgänge passiert, wird nur ein geringer Teil des Staubs durch die Plattenkatalysatoren aufgenommen.
Der katalytische Reaktor des Bienenwabentyps hat daher den Vorteil, daß nur geringfügige Katalysatorverluste während des Betriebs auftreten.
Es tritt jedoch der Nachteil auf, daß das in den geradlinigen Strömungsdurchgängen strömende Gas geringe Turbulenz zeigt und im Vergleich mit einem üblichen katalytischen Reaktor des mit eingefülltem Katalysator versehenen Typs einen sehr geringen Stofftransport- bzw. Massentransport-Koeffizienten aufweist, so daß es nicht möglich ist, einer guten
ίο Kontakt des Gases mit dem Katalysator oder eine zufriedenstellende katalytische Reaktion zu erreichen. Um guten Kontakt des Gases mit dem Katalysator zu gewährleisten, hat man versucht, die Kontaktfläche der geradlinigen Strömungsdurchgänge zu erhöhen, indem
is man die Querschnittsfläche der Strömungswege vermindert und die Anzahl der Durchgänge erhöht hat Ein so ausgebildeter katalytischer Reaktor hat jedoch den Nachteil, daß der Druckverlust des Gases erhöht wird. Zum Betrieb von Kühltürmen waren auch bereits gewellte Kontaktkörper bekannt, die in Berührung miteinander so angeordnet sind, daß sie zahlreiche Durchgänge für fluide Ströme ausbilden, wobei diese Durchgänge jeweils durch zwei benachbarte Kontaktkörper begrenzt sind (DE-AS 21 13 614). Diese Kontaktkörper sind jedoch so zueinander angeordnet, daß sich jeweils die unmittelbar benachbarten Fluiddurchgänge im Hinblick auf Fluidströme im Durchgang kreuzen, während sich die Richtungen, in denen die Kontaktkörper zueinander angeordnet sind, nicht kreuzen. Eine solche Anordnung von Kontaktkörpern würde in einem katalytischen Reaktor zu einer Erhöhung des Strömungswiderstands führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen katalytischen Reaktor zur Verfügung zu stellen, in welchem der Katalysator so angeordnet ist, daß das zu behandelnde Gas in zufriedenstellender Weise mit dem Katalysator in Berührung gebracht werden kann, und der Stofftransportkoeffizient erhöht wird, ohne daß der Strömungswiderstand ansteigt, und keine oder nur geringfügige Katalysatorverluste auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen katalytischen Reaktor zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen mit mehreren plattenförmigen Katalysatoren, die derart im Abstand zueinander angeordnet sind, daß sie Gasdurchgänge einschließen, gelöst
Dieser Reaktor ist dadurch gekennzeichnet, daß
a) die plattenförmigen Katalysatoren innerhalb des Reaktors in mehreren Gruppen angeordnet sind,
so und innerhalb einer Gruppe parallel im Abstand zueinander so ausgerichtet sind, daß sich ihre Vorderkanten in Querrichtung zur Längsrichtung erstrecken, und
b) die Gruppen von plattenförmigen Katalysatoren so zueinander angeordnet sind, daß die Vorderkanten der plattenförmigen Katalysatoren in einer Gruppe die Richtung der Vorderkante der plattenförmigen Katalysatoren in der unmittelbar benachbarten Katalysatorgruppe kreuzt, so daß die Vorderkanten der plattenförmigen Katalysatoren dem in dem Gasreaktöf aufsteigenden Gas ausgesetzt sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses katalytischen Reaktors kreuzt die Richtung der Breite der plattenförmigen Katalysatoren einer der Katalysatorgruppen dit Richtung der Breite der plattenförmigen Katalysatoren der unmittelbar benachbarten Katalysatoranordnungen im rechten Winkel.
Es ist außerdem bevorzugt, daß alle im Reaktor befindlichen Katalysatoranordnungen mit den gleichen Abmessungen ausgebildet sind.
Wenn die mehreren plattenförmigen Katalysatoren parallel zu einem Gasstrom angeordnet sind, so daß zwischen ihnen Gasdurchgänge ausgebildet werden, ist der Koeffizient des Stofftransportes zu den Oberflächen der Gasdurchgänge, welche durch die plattenförmigen Katalysatoren eingeschlossen sind, groß, speziell in Bereichen zwischen den Vorderkanten der plattenförmigen Katalysatoren und etwas stromabwärts liegenden Stellen der plattenförmigen Katalysatoren, d. h. in einem Bereich, der als Eintrittsbereich oder Startbereich bezeichnet wird. In dem katalytischer! Reaktor existieren in Richtung des Gasstromes mehrere solcher Eintrittsbereiche, wodurch eine gute katalytische Reaktion mit dem Gas gewährleistet wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert In diesen Zeichnungen zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung von Plattenkatalysatoren,
Fig.2 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Sherwood-Zahl und dem vertikalen Abstand (x) der in F i g. 1 gezeigten Anordnung von Plattenkatalysatoren angibt,
F i g. 3 ist eine Teilschnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen katalytischen Reaktors,
F i g. 4 ist die Draufsicht auf eine Katalysatoranordnung, die in dem katalytischen Reaktor gemäß F i g. 3 vorliegt,
F i g. 5 ist eine Schnittansicht der Katalysator-Anordnung längs Linie V- Vm F i g. 4,
Fig.6 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Druckverlust des Gases AP und der Länge L jedes von mehreren plattenförmigen Katalysatoren angibt.
Fig.7 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Massen- bzw. Stofftransport-Koeffizienten eines Gases und der Länge L angibt
Nachstehend soll unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 zunächst eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung erläutert werden.
In F i g. 1 sind längs eines Gasstroms i mehrere Katalysatorgruppen 1,2 aufeinandergestapelt. Jede der Katalysatorgruppen 1, 2 umfaßt mehrere plattenförmige Katalysatoren 4, 5, die parallel zueinander unter Abständen B zwischen den einzelnen Platten angeordnet sind. Jeder der plattenförmigen Katalysatoren 4, 5 hat eine Breite W, eine Länge L und eine Vorderkante 6 oder 7. Die Katalysatorgruppe 2 ist so auf die Katalysatorgruppe 1 gestapelt, daß die Längsrichtungen der plattenförmigen Kafalysatoren 4, 5 in dem Gasstrom 3 liegen und eine Vielzahl der Vorderkanten 6, 7 der plattenförmigen Katalysatoren 4, 5 der Katalysatorgnippeii 1,2 dem Gasstrom ausgesetzt sind. Vorzugsweise kreuzt die Richtung der Breite der plattenförmigen Katalysatoren 1 einer der Katalysatorgruppen 1, 2 die Richtung der Breite der unmittelbar benachbarten Katalysatorgruppe 2 der Katalysatorgruppen 1,2.
Das zu behandelnde Gas 3 tritt am unteren Ende in die Vielzahl von Katalysatorgruppen 1,2 ein und strömt durch mehrere Gasdurchgänge, welche durch die plattenförmigen Katalysatoren 4, 5 eingegrenzt sind, nach oben. Das aufwärts strömende Gas kommt mit den Seitenflächen der Gdsdurchgänge oder der plattenförmigen Katalysatoren 4,5 'Ώ Berührung.
Die Größe der Stofftransportrate des Gases 3 wird
durch die Sherwood-Zahl (Sh) ausgedrückt Je größer Sh ist, um so stärker ist der Kontakt des Gases 3 mit den plattenförmigen Katalysatoren 4, 5. Die Bedingungen des Kontakts des Gases 3 mit den plattenförmigen Katalysatoren 4, 5 werden nachstehend unter Anwendung der Sherwood-Zahl und unter Bezugnahme auf F i g. 2 ausführlicher erläutert
Wenn das Gas 3 mit der zuunterst befindlichen Vorderkante 6, die bei xL\ in F i g. I gezeigt ist, in Berührung kommt, so ist, wie aus F i g. 2 hervorgeht, Sh am größten, woraus ersichtlich ist, daß der Kontakt des Gases 3 mit dem Katalysator ausreichend gut ist Danach vermindert sich Sh allmählich längs der Kurve Q während das Gas 3 nach oben strömt Wenn das Gas 3 xLa oder die Vorderkanten 7 der plattenförmigen Katalysatoren 5 erreicht, werden Turbulenzen in dem Gas 3 durch die Vorderkante 7 verursacht so daß Sh wieder auf einen hohen Wert eingestellt wird, und danach vermindert sich Sh in der gleichen Weise wie vorher beschrieben wurde allmählich, während das Gas weiter nach oben strömt Somit än.-^rt sich der Wert von Sh während der Aufwärtsströmung C ds Gases in der durch Kurve Cgezeigten Weise und erreicht wiederholt hohe Werte.
Wenn die Länge L eines plattenförmigen Katalysators großer ist, vermindert sich Sh längs Kurve D, während das Gas nach oben strömt In diesem Fall ist der Durchschnittswert von Sh sehr klein im Vergleich mit der Katalysatoranordnung gemäß F i g. 1, so daß der Katalysator mit dem Gas nicht ausreichend gut in Berührung kommt
Es ist daher wünschenswert, daß die Länge L der plattenförmigen Katalysatoren 4, 5 einen geeigneten Wert hat
Nach den in F i g. 6 und 7 gezeigten experimentellen Ergebnissen wird die Länge L, welche durch den Abstand fl(m) zwischen den plattenförmigen Katalysatoren und die Strömungsrate des Gases Ug{m/s) beeinflußt wird, durch folgende Gleichung angegeben:
80 & ■ Ug S L < 300 EP ■ Ug
In Fig.6 zeigen die Kurven E, F und G den Zusammenhang zwischen dem Druckverlust AP (mm H2CVm) und der Länge L (mm), wenn plattenförmige Katalysatoren verschiedener Länge L in der in Fig. 1 gezeigten Weise unter Abständen B von C1Ol m angeordnet sind, und ein Gas in einer Strömungsgeschwindigkeit von 8,5 m/s (Kurve E), 10 m/s (Kurve F) bzw. 12,5 m/s (Kurve C) in die Anordnung von Plattenkatalysatoren eingeleitet wird.
Es ist ersichtlich, daß für die Länge im linken Bereich jeder der Kurven E, Fund G im Hinblick auf die Linie H der Druckverlust des Gases zu groß für die anzuwendende Katalysatoranordnung ist. Bezogen auf diesen Zusammenhang wird der untere Grenzwert für die Länge L bestimmt. Wenn daher die Länge L ju kurz ist, um die vorstehende Gleichung zu erfüllen, wird der Druckverlust zu groß für die zu verwendenden plattenförmigen Katalysatoren.
In Fig. 7 wird eine Kurve / gezeigt, die den Zusammenhang zwischen dem Stoff transport-Koeffizienten kf (m/h) und der Länge des plattenförmigen Katalysators angibt, wenn plattenförmige Katalysatoren unterschiedlicher Länge L, die in der in Fig. 1 gezeigten Weise mter Abständen B von 0,01 mm zwischen den einzelnen Platten angeordnet sind, und ein Gas mit einer Geschwindigkeit von 10 m/s in die Anordnung von plattenförmigen Katalysatoren einge-
leitet wird. Es ist festzustellen, daß der Stofftransport-Koeffizient nicht mehr ansteigt, wenn die Länge L mehr als 300 mm beträgt. Bezogen auf diesen Zusammenhang wird der obere Grenzwert der Länge L so bestimmt, daß die anderen Werte des Abstands B und der Gasgeschwindigkeit Ug angeglichen werden. Wenn daher die Länge L so groß ist, daß sie die vorstehende Gleichung nicht erfüllt, kann kein hoher Wert von Sh erwartet werden, so daß die katalytische Reaktion nicht ausreichend abläuft.
Als plattenförmiger Katalysator kann ein Wellplattenkatalysator, ein Plattenkatalysator, in welchem ein gasdurchlässiger Katalysatorträger, wie ein Drahtnetz, welches die Katalysatorteilchen trägt, in Plattenform ausgebildet ist, oder ein ähnlicher Katalysator angewendet werden.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf F i g. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen katalytischer! Reaktors ausführlich beschrieben, in welchem die in Fig. i gezeigte Kaiaiysaioranordnung vorliegt. Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Entfernung von Stickstoff, in welcher in einem Abgas aus einer Kesselheizung vorliegende Stickstoffoxide unter Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel unschädlich gemacht werden.
Gemäß F i g. 3 steht ein katalytischer Reaktor Il durch eine Abgasleitung 15 mit einer Kesselheizung 13 in Verbindung. In dem katalytischen Reaktor 11 sind mehrere Katalysator-Anordnungen 17,19 gestapelt und ein Ende der Abgasleitung 15 ist zwischen der untersten Katalysatoranordnung 17 und dem Boden 21 des katalytischen Reaktors 11 angeordnet. Die Abgasleitung 15 ist mit einem Staubabscheider 23, einem Gefäß 25 für Ammoniak und einem Gebläse 27 versehen.
Das aus der Kesselheizung J3 stammende, zu behandelnde Abgas wird in den unteren Teil des katalytischen Reaktors 11 eingeführt, strömt nach oben, wobei es die Katalysator-Anordnungen 17, 19 passiert und strömt aus dem katalytischen Reaktor 11, wobei der Staub aus dem Abgas durch den Staubabscheider 23 entfernt wird and Ammoniak aus dem Behälter 25 eingeleitet wird, bevor das Gebläse 27 erreicht ist, und das mit Ammoniak vermischte Abgas mit dem Katalysator in Berührung kommt, wobei die katalytische Reaktion abläuft, während das Abgas durch die Katalysator-Anordnungen 17,19 nach oben strömt.
Die Katalysatoranordnungen 17,19 haben jeweils die in F i g. 4 und 5 gezeigte Ausbildung.
In F i g. 4 und 5 ist ein quadratischer Rahmen 29 gezeigt, der mit Halterungen 31 versehen ist. Zahlreiche Abstandsstücke 33 sind so an dem Rahmen 29 befestigt, daß Abstände zwischen ihnen ausgebildet sind. Zahlreiche Platten-Katalysatoren 35 sind jeweils in die durch die Abstandsstücke 33 begrenzten Abstände eingefügt und werden von den Halterungen 31 des Rahmens 29 gehaltert, wodurch die Plattenkatalysatoren 35 von dem Rahmen 29 festgehalten werden. Der Plattenkatalysator 35 ist eine dünne Metallplatte, die vorherrschend aus Titan und Vanadin besteht. Die Katalys&tor-Anordnun-■ gen 17, 19 sind in dem katalytischen Reaktor 11 in der Weise angeordnet, daß die Richtung der Breite der Plattenkatalysatoren der Katalysatoranordnung 17 die Richtung der Breite der Plattenkatalysatoren der unmittelbar benachbarten Katalysator-Anordnung 19 in im rechten Winkel kreuzt, so daß die Kantenteile 35 der Plattenkatalysatoren 17, 19 dem Gas ausgesetzt sind, welches in dem katalytischen Reaktor aufwärts strömt. Die Merkmale und Betriebsbedingungen des katalytischen Reaktors werden nachstehend angegeben:
Horizontale Schnittfläche des katalytischen Reaktors: 425 cm'
Abstand Szwischen den Plattenkatalysatoren 35: etwa 10 mm
.■" t.dilgc L·, Cic5 pi5iiciiK5iä!y53iGr3: Ci'*V5 ! 5C ΓΓιΓΓι
Anzahl der gestapelten Katalysator-
anordnungen 17,19: 15 Gesamthöhe der gestapelten
Katalysatoranordnungen 17,19: 2,3 m
;·. Menge des zu behandelnden Gases: 1500NmVh
Strömungsgeschwindigkeit des Gases: 7 m/s
Bei der Denitrierungsbehandlung des Abgases der KeSi,',heizung wurde eine Denitricrungsrate von 99%
>'■ erreicht.
Andererseits betrug die Denitrierungsrate nur 90%, wenn die übliche Katalysatoranordnung angewendet wurde, bei der die Länge der Plattenkatalysatoren gleich der Höhe der Füllkörperkatalysatorschichten ist.
ι-. Um die gleiche Denitrierungsrate zu erreichen, die aufgrund der vorstehend erläuterten Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erreicht wird, ist es erforderlich, daß die Höhe der Füllkörper-Katalysatorschicht (bzw. die Länge des Plattenkatalysators)
4Ii 4,2 m beträgt. Selbst wenn daher die Höhe der Katalysatorschicht des erfindungsgemäßen katalytischen Reaktors auf die Hälfte vermindert wird, ist die Denitrierungsrate immer noch die gleiche, wie bei dem üblichen katalytischen Reaktor.
-■-. Wie vorstehend erläutert wurde, kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Katalysatoranordnung eine Reaktion zwischen einem Gas und einem festen Material mit höherer Wirksamkeit durchgeführt werden, als mit Hilfe eines üblichen katalytischen Reaktors, und kann die
μ Menge des in dem katalytischen Reaktor eingesetzten Katalysators stark vermindert werden. Darüber hinaus kann der Aufbau des Reaktors kleiner gemacht werden, ohne ihn zu komplizieren, im Vergleich mit dem üblichen Reaktor.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Katalytischer Reaktor zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen mit mehreren plattenförmigen Katalysatoren, die derart im Abstand zueinander angeordnet sind, daß sie Gasdurchgänge einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß
DE2834358A 1977-08-05 1978-08-04 Katalytischer Reaktor Expired DE2834358C3 (de)

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