DE2839821C2

DE2839821C2 - Fluidized bed reactor

Info

Publication number: DE2839821C2
Application number: DE19782839821
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dipl.-Ing. 8500 Nürnberg Bock; Otto Prof. Dr.-Ing. 8551 Hemhofen Molerus
Original assignee: Didier Engineering GmbH
Current assignee: Didier Engineering GmbH
Priority date: 1978-09-13
Filing date: 1978-09-13
Publication date: 1984-09-20
Also published as: DE2839821A1; AU5022979A; JPS5539299A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wirbelschichtverfahren, bei dem ein Gas in einer Anstroemzone in eine Wirbelschicht eingespeist wird. Zusaetzlich wird in wenigstens einer weiteren oberhalb dieser Anstroemzone befindlichen oberen Anstroemzone Einsatzgas in einer Ebene verteilt in die Wirbelschicht eingespeist. Im Falle eines schlanken Druckreaktors wird durch das Einspeisen des Einsatzgases in mindestens zwei voneinander entfernten Anstroemzonen erreicht, dass der von der Wirbelschicht ausgefuellte Reaktionsraum wesentlich gleichmaessiger ausgenutzt, mithin eine bessere Raum-Zeit-Ausbeute erreicht wird. Laeuft die chemische Reaktion rasch ab, und ist sie darueber hinaus stark exotherm, so wird durch das Einspeisen des Gases in mindestens zwei uebereinanderliegenden Zonen der Waermeanfall raeumlich auseinandergezogen und mithin ein lokales Ueberhitzen vermieden und damit die im allgemeinen erforderliche Waermeabfuhr erleichtert. Falls die chemischen Reaktionen volumenvermindernd wirken, wird im Bereich der jeweils naechsten Anstroemzone die Auswirkung der Volumenverminderung auf die Gasstroemung und damit auf den Fluidisierungszustand kompensiert und somit eine gleiche Fluidisierung erreicht. ...U.S.WThe invention relates to a fluidized bed process in which a gas is fed into a fluidized bed in an approach zone. In addition, feed gas is fed into the fluidized bed in at least one further upper flow zone located above this flow zone. In the case of a lean pressure reactor, feeding the feed gas into at least two distant flow zones ensures that the reaction space filled by the fluidized bed is used much more evenly, and consequently a better space-time yield is achieved. If the chemical reaction proceeds quickly and if it is also strongly exothermic, the heat accumulation is spatially separated by feeding the gas in at least two superimposed zones and thus local overheating is avoided and thus the generally required heat dissipation is facilitated. If the chemical reactions have a volume-reducing effect, the effect of the volume reduction on the gas flow and thus on the fluidization state is compensated in the area of the next approach zone, and the same fluidization is thus achieved. ...ETC

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wirbelschichtreaktor, bei dem Gas über eine Kammer mit einem Anströmboden vertikal und oberhalb des Anströmbodens in unterschiedlichen Höhen in die Wirbelschicht eingespeist wird.The invention relates to a fluidized bed reactor in which the gas flows through a chamber with an inflow base fed into the fluidized bed vertically and above the inflow base at different heights will.

In der Wirbelschicht eines Wirbelschichtreaktors werden Feststoffpartikel durch einen aufwärts gerichteten Gasstrom gegen die Gravitationskraft in der Schwebe gehalten. Außer für physikalische Verfahren wie Trocknen und Granulieren werden katalytische Wirbelschichten insbesondere in der chemischen Reaktionstechnik eingesetzt. Je nach der Strömungsgeschwindigkeit des durch die Wirbelschicht geblasenen Gases dehnt sich in der Wirbelschicht eine vorgegebene Schüttung eines Feststoffes in vertikaler Richtung mehr oder weniger aus.In the fluidized bed of a fluidized bed reactor, solid particles are caused by an upwardly directed Gas flow held in suspension against the force of gravity. Except for physical processes like Drying and granulating, catalytic fluidized beds are used in particular in chemical reaction engineering. Depending on the flow rate of the gas blown through the fluidized bed expands a given bed in the fluidized bed of a solid more or less in the vertical direction.

Beim Betrieb von Wirbelschichtreaktoren sind insbesondere dann Schwierigkeiten zu erwarten, wenn die chemischen Reaktionen erhöhte Drücke erfordern und/ oder rasch und stark exotherm ablaufen und/oder für die durchgesetzten Gasmengen volumenvermindernd wirken. Diese Schwierigkeiten treten bereits bei einer einzigen der vorerwähnten physikalischen Wirkungen auf und verstärken sich bei Vorliegen zweier oder sogar aller drei Wirkungen.When operating fluidized bed reactors, difficulties are to be expected in particular when the chemical reactions require elevated pressures and / or run rapidly and strongly exothermic and / or for the amount of gas passed through has a volume-reducing effect. These difficulties already occur with one only one of the aforementioned physical effects and intensify in the presence of two or even all three effects.

Als Beispiel für das gemeinsame Auftreten der drei genannten Wirkungen ist die Wirbelschichtmethanisierung von Kohlevergasungsgasen mit Hilfe feinkörniger Katalysatoren zu nennen.Fluidized bed methanation is an example of the common occurrence of the three mentioned effects of coal gasification gases with the help of fine-grain catalysts.

Bei erhöhtem Druck ist infolge der mechanischen Beanspruchung der Druckgefäßwandung ein schlanker Reaktionszylinder mit vertikaler Achse erforderlich. Die darin erzeugte Wirbelschicht ist demzufolge ebenfalls schlank und hoch. Im Hinblick auf eine wirtschaftliche Raum-Zeit-Ausbeute ist es dann unter Umständen nur wenig zweckmäßig, ausschließlich in einer einzigen, unteren Anströmzone das Einsatzgas in die Wirbelschicht einzublasen, weil dann die chemischen Reaktionen im unteren Teil der Wirbelschicht bereits vollständig ablaufen würden, ohne daß der obere Teil der Wirbelschicht daran teilnehmen würde.When the pressure is increased, the pressure vessel wall becomes slimmer due to the mechanical stress Reaction cylinder with vertical axis required. The fluidized bed created in it is consequently also slim and tall. With regard to an economic space-time yield, it may then be The feed gas in the fluidized bed is not very useful, only in a single, lower inflow zone to be blown in, because then the chemical reactions in the lower part of the fluidized bed are already complete would occur without the upper part of the fluidized bed participating.

Laufen die chemischen Reaktionen rasch und stark exotherm ab, so besteht die Gefahr, daß bei einer alleinigen Gaszufuhr von unten her die ehemischen Reaktionen ausschließlich räumlich konzentriert in der Umgebung der unteren Anströmzone ablaufen und praktisch die gesamte Reaktionswärme in einem nur kleinen Teilbereich des Reaktionsgefäßes entsteht Das führt dazu, daß der an sich bei Wirbelschichten infolge der intensiven Feststoffbewegung gute Temperaturausgleich nicht ausreicht um unerwünschte lokale Oberhitzungen innerhalb des Reaktorgefäßes auszuschließen.
Falls die chemischen Reaktionen volumenmindernd wirken, so stellt sich der Nachteil ein, daß bei zweckmäßig gewählter Gasgeschwindigkeit in der A'nströmzone vor Beendigung der chemischen Reaktionen die mittlere Gasgeschwindigkeit optimal und im oberen Teil der Wirbelschicht für ein genügend intensives Fluidisieren des Feststoffes zu niedrig ist da mit abnehmendem Gasvolumen bei gleichem Strömungsquerschnitt die Strömungsgeschwindigkeit naturgemäß abnimmt.If the chemical reactions take place quickly and strongly exothermically, there is a risk that if gas is supplied from below alone, the previous reactions will only take place in a spatially concentrated manner in the vicinity of the lower inflow zone and practically all of the heat of reaction will arise in only a small part of the reaction vessel leads to the fact that the good temperature equalization in fluidized beds due to the intense movement of solids is not sufficient to exclude undesired local overheating within the reactor vessel.
If the chemical reactions reduce the volume, the disadvantage arises that if the gas velocity is expediently selected in the inflow zone, the mean gas velocity is optimal before the end of the chemical reactions, and in the upper part of the fluidized bed it is too low for sufficiently intensive fluidization of the solid the flow velocity naturally decreases with decreasing gas volume with the same flow cross-section.

Aus der deutschen Auslegeschrift 21 65 658 ist bereits ein Wirbelschichtreaktor der eingangs erwähnten Art bekannt der für eine mehrstufige Reaktion bestimmt ist und daher in der Wirbelschicht mindestens zwei Reaktionszonen aufweist Um eine Rückströmung und Rückvermischung der Fließbettkomponenten /.u unterbinden, wird Sauerstoff als Fluidisierungsgas über eine Leitung und den Anströmboden in die Wirbelschicht eingeführt während der andere gasförmige Reaktionspartner oberhalb des Anströmbodens über eine leitung horizontal in die Wirbelschicht eingespeist wird. Bei einer Verfahrensvariante befinden sich oberhalb der Reaktionszone direkt über dem Anströmboden im Abstand voneinander zwei Zwischenboden mit zwei weiteren Reaktionszonen. Da jede dieser Reaktionsxonen Sauerstoff als Reaktionspartner bedarf, wird auch in jede Reaktionszone über jeweils eine separate Leitung horizontal Sauerstoff eingespeist. Das Einspeisen des Sauerstoffs in unterschiedliche Höhen ist hier dadurch bedingt daß der Reaktionsablauf in mehreren Stufen erfolgt From the German Auslegeschrift 21 65 658 is already a fluidized bed reactor of the type mentioned is known which is intended for a multi-stage reaction and therefore has at least two reaction zones in the fluidized bed around a backflow and backmixing of the fluidized bed components /.u prevent, oxygen is used as fluidizing gas via a pipe and the inflow tray is introduced into the fluidized bed while the other gaseous reactants is fed horizontally into the fluidized bed via a pipe above the inflow base. At a Process variants are located above the reaction zone directly above the inflow tray at a distance from each other two intermediate floors with two further reaction zones. Since each of these reaction xons is oxygen as a reaction partner is required, is also in each reaction zone via a separate line horizontally Oxygen fed in. The feeding of the oxygen at different heights is a result of this that the reaction takes place in several stages

Des weiteren beschreibt die deutsche Auslegeschrift 22 40 695 ein Wirbelschichtverfahren, bei dem das Wirbelbett aus zwei Komponenten unterschiedlicher Kornfraktion mit der Tendenz zu einer Entmischung besteht Bei diesem Verfahren wird das Trägergas ausschließlich durch einen Anströmboden in die Wirbelschicht eingeblasen, während über Einlasse in der Seiten wandung des Reaktors ein Reaktionsgas in die Wirbelschicht eingespeist wird. Dieses Reaktionsgas erfaßt jedoch lediglich eine mehr oder minder schmale Randzone der Wirbelschicht, ohne daß es dabei zu einer durchgreifenden Homogenisierung der Wirbelschicht käme. Das gilt auch unter Berücksichtigung der Tatsache, daß über Horizontalleitungen zusätzlich ein Fördergas in die Wirbelschicht eingeblasen wird, das durch Steigrohre in den Oberraum des Reaktors geleitet wird, weil das Fördergas dabei in einer einzigen Ebene in die Wirbelschicht eintritt.Furthermore, the German Auslegeschrift 22 40 695 describes a fluidized bed process in which the fluidized bed consists of two components of different grain fractions with a tendency to segregate In this process, the carrier gas is exclusive blown through an inflow tray into the fluidized bed, while inlets in the side wall of the Reactor a reaction gas is fed into the fluidized bed. However, this reaction gas only detects a more or less narrow edge zone of the fluidized bed, without it becoming a sweeping one Homogenization of the fluidized bed would come. That is true even considering the fact that over Horizontal lines, a conveying gas is additionally blown into the fluidized bed, which is fed into the fluidized bed through riser pipes the upper space of the reactor is passed because the conveying gas is in a single plane in the fluidized bed entry.

Schließlich beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift 19 40 980 einen Reaktor für katalytische Gasreaktionen in stationären Katalysatorbetten, die räumlich durch Schikanebleche in der Horizontalen und durch Loch- oder Schlitzbleche in der Vertikalen begrenzt sind. Da es hierbei um Gasreaktionen gelv, müssen die den Katalysator einschließenden Wände Einströmöffnungen für das zu behandelnde Gas aufv eisen. DieseFinally, the German Offenlegungsschrift 19 40 980 describes a reactor for catalytic gas reactions in stationary catalyst beds, which are spatially arranged by baffle plates in the horizontal and through Perforated or slotted sheets are limited in the vertical. Since it is a question of gas reactions, the the walls enclosing the catalyst have inflow openings for the gas to be treated. These

b5 Einströmöffnungen beeinflussen jedoch η cht den Zustand einer Wirbelschicht, sondern bestin men zusammen mit den Schikaneblechen lediglich einen mäanderförmigen Strömungspfad des zu behandeln<len Gases.However, b5 inflow openings influence the state of a fluidized bed, but rather determine men together with the baffle plates only a meander-shaped one Flow path of the gas to be treated.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelschiclitreaktor zu schaffen, dem die vorerwähnten Nachteile nicht anhaften und bei dem sich das gesamtezur Verfügung stehende Volumen der Wirbelschicht optimal ausnutzen läßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wirbelschichtreaktor der eingangs erwähnten Art gelöst, der erfindungsgemäß von der Kammer unterhalb des Anströmbodens ausgehende Anströmrohre mit über ihre Höhe verteilt angeordneten seitlichen Austrittsöffnungen aufweistThe invention is now based on the object of creating a fluidized bed reactor which has the aforementioned Disadvantages do not adhere and in which the entire available volume of the fluidized bed is can be optimally exploited. This object is achieved according to the invention solved by a fluidized bed reactor of the type mentioned, according to the invention outgoing from the chamber below the inflow base with inflow pipes arranged distributed over their height Has lateral outlet openings

Bei dem OTfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor können sich in der Wirbelschicht keine Inhomogenitäten bzw. Gradienten ausbilden, weil die Anströmrohre von einer besonderen Kammer gespeist werden und das Einsatzgas in mehreren Ebenen und dabei jeweils über den Querschnitt verteilt an verschiedenen Stellen in die Wirbelschicht einspeisen. Demgemäß wird der von der Wirbelschicht ausgefüllte Reaktionsraum wesentlich gleichmäßiger ausgenutzt und ergibt sich eine bessere Raum-Zeit-Ausbeute.In the fluidized bed reactor according to the invention no inhomogeneities or gradients can form in the fluidized bed because the inflow pipes are fed by a special chamber and the feed gas in several levels, each over Feed the cross-section into the fluidized bed at different points. Accordingly, the Fluidized bed filled reaction space is used much more evenly and the result is a better one Space-time yield.

Läuft die chemische Reaktion rasch ab, und ist sie darüber hinaus stark exotherm, so wird durch das Einspeisen des Gases in mehreren übereinanderliegenden Zonen der Wärmeanfall räumlich auseinandergezogen und mithin ein lokales Überhitzen vermieden und damit die im allgemeinen erforderliche Wärmeabfuhr erleichtert. If the chemical reaction takes place quickly, and if it is also strongly exothermic, then the feed of the gas in several superimposed zones, the heat accumulation spatially pulled apart and thus local overheating is avoided and the generally required heat dissipation is thus facilitated.

Falls die chemischen Reaktionen volumenvermindernd wirken, wird im Bereich der jeweils nächsten Anströmzone die Auswirkung der Volumen verminderung auf die Gasströmung und damit auf den Fluidisierungv zustand kompensiert und somit eine gleiche Fluidisierung erreicht.If the chemical reactions reduce the volume, it will be in the area of the next inflow zone the effect of the volume reduction on the gas flow and thus on the fluidization v compensated state and thus achieved the same fluidization.

Die vorerwähnten Vorteile kommen erst recht bei gleichzeitigem Auftreten zweier oder aller drei der genannten physikalischen Wirkungen zum Tragen.The aforementioned advantages come even more when two or all three of the aforementioned occur at the same time physical effects to wear.

Das Gas wird in der unteren Anströmzone vertikal und in der bzw. den oberen Anströmzonen horizontal in die Wirbelschicht eingespeist werden. Des weiteren wird das Gas kontinuierlich über die Hohe der Wirbelschicht eingespeist.The gas flows vertically in the lower inflow zone and horizontally in the upper inflow zone (s) the fluidized bed are fed. Furthermore, the gas is continuously over the height of the fluidized bed fed in.

Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor strömt das in die obere Kammer gelangende Gas durch den im unteren Teil de? Wirbelschichtreaktors befindlichen Anströmboden vertikal nach oben in die Wirbelschicht hinein, währenc das in die Kammer unterhalb des Zwischenboden!» gelangende Gas durch die Anströmrohre strömt und in horizontaler Richtung in die obere Anströmzone geführt wird. Somit ergibt sich ein Wirbelschichtreaktor, bei dem das Einsatzgas in mehreren mit Abstand voneinander angeordneten Anströmzonen in die Wirbelschicht eingespeist wird. Hierbei verläuft die Strömungsrichtung des Gases im unteren Teil der Wirbelschicht vertikal, während im oberen Teil oer Anströmzone das Gas horizontal ausströmt. Demzufolge treffen in der Umgebung der Ausströmöffnungen der Anströmrohre zwei unterschiedlich gerichtete Gasströme aufeinander, was zu Turbulenzen und mithin zu einer ungleichmäßigen Strömung führt. Das hat zur Folge, daß gerade in diesem Teil des Reaktors der Kontakt zwischen dein Einsatzgas und dem Katalysator besonders innig ist. was die Reaktionsgeschwindigkeit wesentlich erhöht.In the reactor according to the invention, the gas entering the upper chamber flows through that in the lower chamber Part de? Fluidized bed reactor located inflow tray vertically upwards into the fluidized bed, while that into the chamber below the intermediate floor! " Incoming gas flows through the inflow pipes and in a horizontal direction into the upper inflow zone to be led. This results in a fluidized bed reactor in which the feed gas in several with Inflow zones arranged at a distance from one another are fed into the fluidized bed. Here the Direction of flow of the gas in the lower part of the fluidized bed is vertical, while in the upper part oer the inflow zone the gas flows out horizontally. As a result, meet in the vicinity of the outflow openings Inflow pipes two differently directed gas flows towards each other, which leads to turbulence and thus to one uneven flow leads. As a result, the contact is precisely in this part of the reactor between your feed gas and the catalyst is particularly intimate. what the speed of response is essential elevated.

Die Anstmmrohre können über ihre Länge verteilt mil mehreren Ausströmöffnungen versehen sein. Hierbei kann aui Ii der Anströmboden wegfallen, weil sich bei entsprecl ender Lochverteilung mehrere mehr oder weniger schürf voneinander getrennte Reaktionszonen ergeben. Insgesamt ergibt sich ein Strömungsfeld im Bereich der Anströmrohre, das unregelmäßig und in hohem Maße turbulent ist, was zu einer innigen Berührung zwischen dem Einsatzgas und dem Katalysator führt
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutertThe ramming pipes can be provided with several outflow openings distributed over their length. In this case, the inflow base can also be omitted because, with a corresponding hole distribution, several more or less sharply separated reaction zones result. Overall, there is a flow field in the area of the inlet pipes that is irregular and highly turbulent, which leads to intimate contact between the feed gas and the catalyst
The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind im unteren Teil eines Wirbelbettreaktors 4 zwei durch einen Zwischenboden 7 voneinander getrennte Kammern 5, 6 angeordnet Die obere Kammer 6 ist von einem darüber befindlichen Raum 8 für die Wirbelschicht durch einen Anströmboden 9 mit mehreren Durchlaßöffnungen getrennt Die Kammern 5, 6 besitzen unabhängig voneinander Gaszuleitungen 10, 11. Die Anströmrohre 43, 44, 45 sind mit öffnungen 46 versehen und ragen mit ihren unten offenen Enden 47, 48, 49 in die untere Kammer 5 hinein.In the illustrated embodiment, 4 are in the lower part of a fluidized bed reactor two by one Intermediate floor 7 separate chambers 5, 6 arranged. The upper chamber 6 is of one space 8 above it for the fluidized bed through an inflow tray 9 with several passage openings separated The chambers 5, 6 have gas supply lines 10, 11 independently of one another 43, 44, 45 are provided with openings 46 and their ends 47, 48, 49, which are open at the bottom, protrude into the lower chamber 5 into it.

Das in Richtung des Pfeiles 50 durch die Zuleitung 11 in die obere Kammer 6 eintretende Gas gelangt von hier aus in Richtung der vertikalen Pfeile 51 durch den Anströmboden 9 hindurch in den Wirbelschichtraum 8. Gleichzeitig wird das in Richtung des Pfeiles 52 durch die Zuleitung 10 in die untere Kammer 5 strömende Gas durch die unten offenen Enden in die Anströmrohre 43, 44, 45 geblasen, um diese durch die öffnungen 46 in Richtung der Pfeile 53 in horizontaler Richtung zu verlassen. That in the direction of arrow 50 through the supply line 11 Gas entering the upper chamber 6 passes from here in the direction of the vertical arrows 51 through the inflow base 9 through into the fluidized bed space 8. At the same time, this is done in the direction of arrow 52 the supply line 10 into the lower chamber 5 gas flowing through the ends open at the bottom into the inflow pipes 43, 44, 45 are blown in order to leave them through the openings 46 in the direction of the arrows 53 in the horizontal direction.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Fluidized bed reactor, in which the gas is vertically and via a chamber with an inflow tray is fed into the fluidized bed at different heights above the inflow base, marked through the inflow pipes extending from the chamber (5) below the inflow base (9) (43, 44, 45) with lateral outlet openings (46) distributed over their height.

2. Reactor according to claim 1, characterized in that a space under the inflow base (9) divided by an intermediate floor (7) into two chambers (5, 6) with separate gas supply lines (10, 11) and the inflow pipes (43,44,45) open at the bottom into the under «; Chamber (2) protrude.

3. Reactor according to claim 1 or 2, characterized in that the lateral outflow openings (46) are directed horizontally.