DE2903582A1

DE2903582A1 - Rohrbuendelreaktor zur durchfuehrung katalytischer reaktionen in der gasphase

Info

Publication number: DE2903582A1
Application number: DE19792903582
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl Chem Dr Duembgen; Heinz Dipl Chem Dr Engelbach; Richard Dipl Chem Dr Krabetz; Horst Dipl Ing Schauer; Carl-Heinz Dipl Che Willersinn
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1979-01-31
Filing date: 1979-01-31
Publication date: 1980-08-07
Also published as: DE2903582B1

Description

tohrbündelreaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen
in der Gasphase Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rohrbündelreaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen in der Gasphase mit starker Wärmetönung, bestehend aus einem vertikal zwischen einem oberen und einem unteren Rohrboden angeordneten Kontaktrohrbündel, Verteilerplatten mit radial sich änderndem Durchtrittsquerschnitt für die Gleichverteilung eines die Kontaktrohre umspülenden Wärmeübertragungsmittels über den Reaktorquerschnitt, Ein- und Austrittsstutzen für das Reaktionsgas sowie mit einem außenliegenden Wärmetauscher verbundenen Ein- und Austrittsstu,tzen für das Wärmeübertragungsmittel und Ringkanälen für die Verteilung des Wärmeübertragungsmittels.
Es ist bekannt, endotherme oder exotherme katalytische Umsetzungen organischer Verbindungen zu temperaturempfindlichen organischen Zwischenprodukten in der Gasphase in Rohrbündelreaktoren durchzuführen. Eine bekannte Ausführungsform eines Rohrbündelreaktors besteht aus einer Vielzahl parallel angeordneter, mit Katalysator gefüllter Reaktionsrohre mit engen Durchmessern von ca. 10 - 60 mm, die in einen oberen und unteren Rohrboden eingeschweißt sind und vom Synthesegas durchströmt werden. Die entstehende oder aufzunehmende Reaktionswärme wird über ein die Rohre umgebendes, im Gleich- oder Gegenstrom zum Gasstrom gepumptes fluides Wärmeübertragungsmedium, wie z.B. Salzschmelzen, zu- oder abgeführt und gegebenenfalls außerhalb des Reaktors verwertet. Weitere Röhrenöfen sind aus den DE-PS 10 64 922, 16 42 996, 20 62 095, 22 30 127 bekann, ihre technische Anwendung bei Verfahren wie der exothermen Gasphasenoxidation von o-Xylol zu Phthalsäureanhydrid, von Buten/Butadien zu Maleinsäureanhydrid, von Olefinen zu ungesättigten Aldehyden und Säuren ist bekannt.
Bei derartigen Rohrbündelreaktoren wird aus wirtschaftlichen Gründen eine möglichst große Kapazität einer Reaktoreinheit angestrebt, d. h. eine möglichst große Rohrzahl bzw. ein möglichst großes für die Katalysatorfüllung nutzbares Rohrvolumen. Dieser angestrebten Kapazitätsvergrößerung sind bisher verschiedene Grenzen gesetzt. So ist es im allgemeinen nicht möglich, Rohrreaktoren mit Durchmessern größer als 5 - 6 m zum oder am Aufstellungsort zu transportieren. Es wurden zwar gemäß der DE-AS 25 43 758 Rohrbündelreaktoren vorgeschlagen, die aus zwei oder mehr selbständigen Kontaktrohrsektoren mit zugeordneten Rohrbodensegmenten, äußeren Mantel- und inneren Wandabschnitten und den darin angeordneten Kontaktrohren bestehen und die erst am Aufstellungsort aus den einzelnen Sektoren montiert werden müssen.
Derartige Reaktoren sind jedoch konstruktiv aufwendig, da der Abstand zwischen den Rohrbodensegmenten mit abdichtend verschweißten Abdeckblechen überbrückt, und die Seitenwände der Sektoren durch außenseitig angebrachte, den Zwischenraum zwischen 2 Sektorenwänden überbrückende Abstandshalter gegen den inneren Betriebsüberdruck der Sektoren abgestützt werden müssen. Der zentrale, nicht mit Reaktionsrohren besetzbare Bereich des Reaktionsapparates muß gegen die obere und untere Haube ebenfalls abgedich- tet werden und kann ?tür die Reaktion nicht genutzt werden.
Der konstruktive Aufwand schafft Dichtungsprobleme und macht den Reaktionsapparat anfällig für Spannungsrisse, insbesondere beim periodischen Betrieb bzw. bei häufig wechselnden Betriebsbedingungen. Zudem bleibt für die aus einem Stück bestehenden Reaktorhauben großen Durchmessers das Transportproblem weiter ungelöst. Ein weiterer Nachteil des aus getrennten kreissegmentförmigen Sektoren bestehenden Röhrenreaktors besteht darin, daß die erforderliche Gleichverteilung des flüssigen Wärmeübertragungsmittelsauf die Sektoren auf Schwierigkeiten stößt.
Eine weitere Begrenzung für die angestrebte Vergrößerung der Reaktorkapazität, insbebondere bei Reaktoren mit außenliegenden Wärmetauscher für das Wärmeübertragungsmittel, besteht darin, daß die Geschwindigkeit des die Rohre umspülenden Wärmeübertragungsmittels nicht gleichmäßig über den Reaktorquerschnitt verteilt ist und dies umso mehr, je größer der Durchmesser des Reaktors ist. Diese ungleichmäßige äußere Beaufschlagung der Kontaktrohre führt entsprechend zu einer ungleichmäßigen Abführung der Reaktionswärme aus den Kontaktrohren bei exothermen Reaktionen, insbesondere in der Zone höchster Wärmeentwicklung ct~ EputY. In der DE-AS 25 43 758 sind zwar Reaktoren mit außenliegendem Wärmetauscher beschrieben, bei denen das radial vom außenliegenden Wärmetauscher zu- und abgeführte Wärmeübertragungsmittel durch Ringkanäle geführt wird, die in der Nähe der beiden Rohrböden das Rohrbündel umgeben.
Es sind auch Rohrbündelreaktoren mit innenliegendem Wärmetauscher aus der DE-AS 10 64 922 bekannt, bei denen eine ungleichmäßige äußere Beaufschlagung der Kontaktrohre mit dem Wärmeübertragungsmedium durch waagrecht an einem zentralen Rohr angebrachte Verteilerplatten vermieden wird, deren Durchtrittsquerschnitte für das Wärmeübertragungsmedium radial nach außen zunehmen. Scbließiich sind aus dar 601 162 Rohrbündelreaktoren geringer Kapazität mit außerhalb liegender Fördereinrichtung für das Wärmeübertragungsmittel bekannt, bei denen eine gleichmäßige Beaufschlagung der Kontaktrohre dadurch zu erreichen versucht wird, daß in der Nähe des oberen und unteren Rohrbodens kegel- oder kalottenförmig ausgebildete Leitbleche und ggf. zusätzlich über die Rohrlänge hinweg noch ebene Leitbleche angeordnet sind.
Diese Maßnahmen sind jedoch bei Reaktoren großer Durchmesser und stark exothermen Reaktionen noch nicht ausreichend um eine ausreichende Abführung der Reaktionswärme aus den Kontaktrohren in der Zone höchster Wärmeentwicklung zu gewährleisten, wenn 'nicht unwirtschaftlich hohe Durchflußgeschwlndigkeiten des' WärmeWbertragungsmediums in Kauf genommen werden sollen.
Es bestand daher die technische Aufgabe, einen Rohrbündelreaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen mit hoher Wärmetönung zu finden, der in seiner Kapazität nicht durch Transportprobleme und ungleichmäßige bzw. unzureichende Abführung der Reaktionswärme aus den Kontaktrohren begrenzt ist und der die konstruktiven Nachteile bekannter Reaktoren mit großer Kapazität vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß je zwei Kontaktrohrbündel mit je einer zugehörigen Reaktorhaube und einem Austritts(Eintritts)-Stutzen für das Reaktionsgas übereinandergelagert und durch einen gemeinsamen Eintritts(Austritts)-Stutzen für das Reaktionsgas verbunden sind.
Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors besteht darin, daß in dem vom Wärmetauschmittel durchflossenen Außenraum des oberen und des unteren Kontaktrohrbündels jeweils eine Verteilerplatte in Nähe des oberen und unteren Rohrbodens mit radial nach innen zunehmendem Durchtrittsquerschnitt waagerecht angebracht ist.
Erfindungsgemäß werden Schikanebleche mit konzentrisch um die Kontaktrohre gelagerten Durchtrittsöffnungen für das Wärmeübertragungsmedium in Höhe der Zone höchster Wärmeentwicklung waagerecht angebracht.
Die Figur 1 zeigt die Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors in der einfachsten Form. Er besteht aus zwei aufeinandergesetzten Kontaktrohrbündeln A und B mit je einem oberen und unteren Rohrboden 10 und 7 als Träger für die parallel angeordneten Kontaktrohre 4, je einer Reaktorhaube 2 mit einem Abgas (Frischgas)-Stutzen la, lb, einem gemeinsamen Frischgas (Abgas)-Stutzen 8, je einem Stutzen 6 für die Zuführung und einem Stutzen 3 für die Abführung des Wärmeübertragungsmediums von bzw. zu einem nicht eingezeichneten außenliegenden Wärmetauscher, je zwei Ringkanälen 9 für die Verteilung des Wärmeübertragungsmediums über den Umfang der Kontaktrohrbündel A, B und je zwei Verteilerplatten 5 mit radial nach innen zunehmenden Durchtrittsquerschnitten in Nähe des oberen und unteren Rohrbodens 10 und 7 unterhalb bzw. oberhalb des Ringkanals 9. Vorzugsweise ist im Außenraum jedes Kontaktrohrbünde3sA, B in Höhe der Zone höchster Wärmeentwicklung je ein Schikaneblech 11 mit konzentrisch um die Kontaktrohre 4 gelagerten Durchtrittsöffnungen für das Wärmeübertragungsmedium angebracht.
Das Wärmeübertragungsmittel kann nacheinander durch den Außenraum beider Kontaktrohrbündel A, B gepumpt werden, bevor es durch den außenliegenden Wärmetauscher gerührt wird.
Bei größerer Differenz der Ein- und Austrittstemperatur des Wärmeübertragungsmittels, d. h. bei stark exothermen Promessen, ist es jedoch zweckmäBig, das Wärmeübertragungsmittel nach dem Austritt aus dem Außenraum jedes Kontaktrohrbündels A, B in getrennten Wärmetauschern auf die Solltemperatur abzukühlen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung werden die beiden Kontaktrohrbündel A, B mit getrennten Teilströmen des Wärmetauschmittels beaurschlagt, die in einem gemeinsamen Wärmetauscher unter die Solltemperatur abgekühlt und nach der Verzweigung auf die beiden Kontaktrohrbündel A, B durch Umgangsregelung auf die individuellen Solltemperaturen der beiden Kontaktrohrbündel -A, B eingeregelt werden.
Um gleichen Umsatz in den beiden Kontaktrohrbündeln A und B zu gewährleisten, kann es auch vorteilhaft sein, das Wärmeübertragungsmedium im Außenraum der beiden Kontaktrohrbündel A, B gleichsinnig entweder im Gleich- oder im Gegenstrom zu dem Gasstrom in den katalysatorgefüllten Kontaktrohren 4 zu führen.
Die Ringkanäle 9 dienen in bekannter Weise dazu> das durch die Rohrstutzen 6 zu- und die Rohrstutzen 3 abgeführte wär: meübertragungsmedium über den Umfang des Reaktors zu verteilen. Die Durchtrittsquerschnitte der Verteilerplatten 5 nehmen radial nach innen zu und sind proportional der Druckhöhe an der betreffenden Stelle derart bemessen, daß die vertikale Strömungsgeschwindigkeit in dem Raum zwischen den beiden zugehörigen Verteilerplatten 5 über den ganzen Querschnitt der Kontaktrohrbündel A, B den gleichen Wert annimmt.
Die Schikaneblechell mit konzentrisch um die Kontaktrohre 4 gelagerten Durchtrittsöffnungen dienen dazu, die Geschwindigkeit und die Gleichverteilung des Wärmeübertragungsmediums in der Zone höchster Wärmeentwicklung zu erhöhen bzw. zu verbessern. Die Durchtrittsquerschnitte werden vorteilhaft so bemessen, daß die Geschwindigkeit des Wärmeübertragungsmediums in der Zone höchster Wärmeentwicklung auf das 1,5- bis 5-fache der mittleren Durchflußgeschwindigkeit ansteigt und über den ganzen Querschnitt der Kontaktrohrbündel A, B den gleichen Wert besitzt.
Falls erforderlich können zwei oder mehere Schikanebleche 11 in der Zone höchster Wärmeentwicklung übereinander angeordnet sein. Diese Maßnahme verhindert weitgehend schädliche Divergenzen der Temperaturverteilung in den katalysatorgefüllten Kontaktrohren 4 des oberen und des unteren Kontaktrohrbündels A und B, die sich beispielsweise dann ausbilden können, wenn das Wärmeübertragungsmittel im Außenraum des Kontaktrohrbündels A im Gegenstrom und im Außenraum des Kontaktrohrbündels B im Gleichstrom zu den jeweiligen Gasströmen in den Kontaktrohren 4 geführt wird.
Die Strömungsrichtung des Reaktionsgases ist in der Figur 1 so gewählt, daß das Frischgas durch den gemeinsamen Stutzen 8 dem Reaktor zugeführt wird und sich auf beiae Kontaktrohrbündel A und B verteilt. Das aus den Kontaktrohrbündeln A, B austretende Reaktionsabgas tritt durch zwei getrennte Abgasstutzen la und lb aus dem Reaktor aus.
Die Strömungsrichtung des Reaktionsgases kann jedoch gegenüber der Figur 1 gegebenenfalls auch umgekehrt werden, wenn die räumlichen oder verfahrenstechnischen Anforderungen der speziellen Reaktion es als zweckmäßig erscheinen lassen. Das ist insbesondere bei mehrstufigen Verfahren wie der zweistufigen Gasphasenoxidation von Propylen zu Acrylsäure der Fall, bei dem zunächst Propylen an einem acroleinselektiven Katalysator zu Acrolein und dieses an L J einem acrylsäureselektiven Katalysator zu Acrylsäure umgesetzt wird. In diesem Falle ist es vorteilhaft, den Acrolein- und den Acrylsäure-selektiven Katalysator in zwei getrennten erfindungsgemäßen Reaktoren hinsichtlich der Gasführung entsprechend dem in Figur 2 skizzierten Fließschema zu koppeln.
Jedes Kontaktrohrbündel A, B eines erfindungsgemäßen Reaktors kann auch für die Aufnahme von zwei hintereinanderliegenden Schichten verschiedener Katalysatoren, die in verschiedenen Temperaturbereichen arbeiten, ausgebildet sein. In diesem Falle ist es von Vorteil, in dem Außenraum der Kontaktrohrbündel A, B zwei getrennte Kreisläufe des Wärmeübertragungsmediums vorzusehen. Im Rahmen der Erfindung liegen auch spezielle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Reaktors für in zwei getrennten Katalysatorstufen ablaufende Reaktionen, bei denen das aus der ersten Katalysatorstufe austretende partiell umgesetzte Reaktionsgas durch Zuführung von Kaltgas auf niedrige Temperaturen abgeschreckt werden muß, um unselektive Nachreaktionen in Katalysator-freien Reaktorteilen zu vermeiden. In diesem Falle kann es zweckmäßig sein, die beiden Kontaktrohrbündel A und B mit Je einem Katalysatortyp zu befüllen und das umzusetzende Gasgemisch durch den Stutzen la einzuführen und nacheinander durch beide Kontaktrohrbündel A, B von oben nach unten zu führen, wobei das aus dem oberen Rohrbündel A austretende Gasgemisch unmittelbar durch von außen über den Stutzen 8 zugeführtes und mit Hilfe einer Verteilereinrichtung über den Reaktorquerschnitt verteiltes Kaltgas in gewünschter Weise abgeschreckt wird.
Um noch größere Reaktorkapazitäten zu erreichen, können mehrere, z.B. zwei erfindungsgemäße Reaktoren unter Wegfall der Reaktorhauben und eines Abgas(Frischgas)-Stutzens an der Verbindungsstelle aufeinandergesetzt werden.
Zeichn. Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Rohrbündelreaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen in der Gasphase mit starker Wärmetönung, bestehend aus einem vertikal zwischen einem oberen und einem unteren Rohrboden angeordneten Kontaktrohrbündel, Verteilerplatten mit radial sich änderndem Durchtrittsquerschnitt für die Gleichverteilung eines die Kontaktrohre umspülenden Wärmeübertragungsmittels über den Reaktorquerschnitt, Ein- und Austrittsstutzen für das Reaktionsgas sowie mit einem außenliegenden Wärmetauscher verbundenen Ein- und Austrittsstutzen für das Wärmeübertragungsmittel und Ringkanälen für die Verteilung des Wärmeübertragungsmittels, dadurch Óekennzeichnet, daß zwei Kontaktrohrbündel (A; B) übereinandergelagert und durch einen gemeinsamen Eintritts(Austritts)-Stutzen (8) für das Reaktionsgas verbunden sind.

2. Rohrbündelreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Wärmetauschmittel durchflossenem Außenraum des oberen und des unteren Kontaktrohrbündels (A, B) jeweils Verteilerplatten (5) in Nähe des oberen und unteren Rohrbodens (10, 7) mit radial nach innen zunehmendem Durchtrittsquerschnitt waagerecht angebracht sind.

5. Rohrbündeireaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schikanebleche (11) mit konzentrisch um die Kcntaktrohre (4) gelagerten Durchtrittsöffnungen für das Wärmeübertragungsmedium in Höhe der Zone höchster Wärmeentwicklung waagerecht angebracht sind.