DE2903582B1

DE2903582B1 - Rohrbündelreaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen in der Gasphase

Info

Publication number: DE2903582B1
Application number: DE2903582A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl.-Chem. Dr. 6701 Dannstadt Duembgen; Heinz Dipl.-Chem. Dr. 6703 Limburgerhof Engelbach; Richard Dipl.-Chem. Dr. 6719 Kirchheim Krabetz; Horst Dipl.-Ing. 6704 Mutterstadt Schauer; Carl-Heinz Dipl.-Chem. Dr. 6700 Ludwigshafen Willersinn
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1979-01-31
Filing date: 1979-01-31
Publication date: 1980-11-20
Also published as: DE2903582A1

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rohrbündelreaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen in der Gasphase mit starker Wärmetönung, bestehend ?i>.s 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 w Wärmetauscher verbundenen Ein- und Austrittsstutzen für das Wärmeübertragungsmittel und Ringkanälen für die Verteilung des Wärmeübertragungsmittels.

Es ist bekannt, endotherme oder exotherme katalytische Umsetzungen organischer Verbindungen zu « temperaturempfiridlichen organischen Zwischenprodukten in der Gasphase in Rohrbündelraktoren durchzuführen. Eine bekannte Ausführungsform eines Rohrbündelreaktors besteht aus einer Vielzahl parallel angeordneter, mit Katalysator gefüllter Reaktionsrohre (>o mit engen Durchmessern von ca. 10—60 mm, die in einen oberen und unleren Rohrboden eingeschweißt sind und vom Synthesegas durchströmt werden. Die entstehende oder aufzunehmende Reaktionswärme wird über ein die Rohre umgebendes, im deich- oder μ 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 1064922, 1642 996, 20 62 095, 22 30127 bekannt, ihre technische Anwendung bei Verfahren wie der exothermen Gasphasenoxidation von o-Xylol zu Phthalsäurehydrid, 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 transportie ren. 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 Abdsckblechen überbrückt, und die Seitenwände der Sektoren durch außenseitig angebrachte, den Zwischenraum zwischen 2 Sektorwänden 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 abgedichtet werden und kann für die Reaktion nicht genutzt werden. Der konstruktive Aufwand schafft Dichtungsprobleme und macht den Reaktionsapparat anfällig für Spannungsrisse, insbesondere beim periodischen Betrieb bzw. bei häufig wechselnder. Betriebsbedingungen. Zudem bleibt für die aus einett. 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 Wärmeübertragungsmittels auf die Sektorer auf Schv/ierigkeiten stößt.

Eine weitere Begrenzung für die angestrebte Vergrößerung der Reaktorkapazität, insbesondere bei Reaktoren mit außenliegenden Wärmetauscher fur das Wärmeübertragungsmittel, besteht darin, daß die Geschwindigkeit des die Rohre umspülenden Wärmeübertragungsmittels nicht gleichmäßig über den Reak-Orquerschnitt 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 (hot spot). 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 Rohrboden 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

Wärmeübeitragungsmedium durch waagrecht an einem zentralen Rohr angebrachte Verteilerplatten vermieden wird, deren Durchtrittsquerschnitte for das WärmeObertragungsmediutn radial nach außen zunehmen. Schließlich sind aus der DE-OS 16 01162 Rohrbündelreaktoren ι 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 obiven und unteren Rohrbodens kegel- oder κι kartenförmig 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 ιί nicht ausreichend um eine ausreichende Abführung der Reaktionswärme aus den Kontaktrohren in der Zone höchster Wärmeentwicklung zu gewährleisten, wenn nicht wirtschaftlich hohe Durchflußgeschwindigkeiten des Wärmeübertragungsmediums 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 erfindungsgemäße dadurch jo 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. J5

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 Rohrboden mit radial nach innen zunehmendem Durchtrittsquerschnitt waagerecht angebracht ist. Erfindungsgemäß werden Schikanebleche mit konzentrisch um die Kontaktrohre gelagerten Durchtrittsöffnungen für das Wärmeübertragungsmedium in Höhe -»5 der Zone höchster Wärmeentwicklung waagerecht angebracht.

Die F i g. 1 zeigt die Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbündelreaktors in der einfachsten Form. Er besteht aus zwei aufeinandergeseizten Kontaktrohrbündeln A und B mit je einem oberen und unteren Rohrboden 10 und 7 als Träger für die parallel angeordneten Kontaktronre 4, je einer Reaktorhaube 2 mit einem Abgas (Frischgas)-Stutzen Xa, \b, einem gemeinsamen Frischgas (Abgas)-Stutzen 8, je einem ^r>5 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 M) 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 Kontaktrohrbün- M dels A, B in Höhe der Zone höchster Wärmeentwicklung je ein Schikaneblech 11 mit konzentrisch um die Kontaktrohre 4 gelage, ;en Durchtrittsöffnungen für das

Wärmeübertragungumedium angebracht

Des Wärmeübertragungsmittel kann nacheinander durch den Außenraum beider Kontaktrohrbündel A, B gepumpt werden, bevor es durch den außenliegenden Wärmetauscher geführt wird Bei größerer Differenz der Ein- und Austrittstemperatur des Wärmeübertragungsmittels, d. h. bei stark exothermen Prozessen, ist es jedoch zweckmäßig, 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 Teilströ'nen des Wärmetauschmittels beaufschlagt, 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, kari es auch vorteilhaft sein, das Wärmeübertragungsniediurp im Außenraurn der beiden Kontaktrohrbündel A, 3 gleichsinnig entweder im deich- 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 Wärmeübertragungsmedium 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, Öden gleichen Wert annimmt

Die Schikanebleche 11 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 D jrchtrittsquerschnitte werden vorteilhaft so bemessen, daß die Geschwindigkeit des Wärmeübertragungsmediums in der Zone höchster Wärmeentwicklung auf das 1,5- bis 5fache der mittleren Durchflußgeschwindigkeit ansteigt und über den ganzen Querschnitt der Kontaktrohrbündel A, Öden gleichen Wert besitzt.

Falls erforderlich können zwei oder mehrere 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 Kontaktrohrbündcls A und B, die sich beispielsweise dann ausbilden können, wenn das Wärmeübertragungsmittel im Außenraum des Kontakfrohrbündels A im Gege.rstrom und im Außenraum des Kontaktrohrbündels B im Gleichstrom zu den jeweiligen Gasströmen in den Kontaktrohren 4 geführt wird.

Die Strömungiw'ichtung des Reaktionsgases ist in der F i g. 1 se gewählt, daß das Frischgas durch den gemeinsamen Stutzen 8 dem Reaktor zugeführt wird und sich auf beide Kontaktrohrbündei Λ und B verteilt. Das aus den Kontaktrohrbündeln A, B austretende Reaktionsabgas tritt durch zwei getrennte Abgasstutzen la und Ii) aus ocm Reaktor aus. Die Strömungsrichtung des Reaktionsgases kann jedoch gegenüber der Fig. 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 einem acrylsäuresclektiven 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 Fig. 2 skizzierten Fließschema zu koppeln.

ledes Kontaktrohrbündel A. Seines 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 7UfAl £Τ*»ίΓί»ηηΙί» \C r<>iclällf«> H**C U/ärmPMKprtrafTiinncmA.

diums 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

in 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 uuöen über den Stutzen 8 zugeführtes und mit ι 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

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dungsstclle aufeinandergeset/t werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Rohrbündelreaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen in der Gasphase mit starker Wärmetönung, bestehend aus einem vertikal zwisehen einem oberen und einem unteren Rohrboden angeordneten Kontaktrohrbündel, Verteilerplatten mit radial sich änderndem Durchtrittsquerschnitt für die Gleichverteilung eines die Kontaktrohre umspülenden Wärmeübertragungsmittels über den Reak- ι ο torquerschnitt, Ein- und Austrittsstutzen für das Reaktionsgas sowie mit einem außenliegenden Wärmetauscher verbundenen Ein- und Austrittsstutzen für das Wärmeübertragungsmittel und Ringkanälen für die Verteilung des Wärmeübertragungs- \ϊ mittels, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kontaktrohrbündel (A, B) mit je einer zugehörigen Reaktorhaube (2) und einem Austritts(Eintritts)-Stutzen (la, lAJfürdas Reaktionsgas übereinandergelagert und durch einen gemeinsamen EintrittsfAustrittsJ-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. ίο

3. Rohrbündelreaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schikanebleche (11) mit konzentrisch um die Kontaktrohre (4) gelagerten Durciitrittsöffnungen fur das Wärmeübertragungsmedium in Höhe der Zone höchster War- «5 mcentwicklung waagerecht angebracht sind.