DE2929300A1

DE2929300A1 - Reaktor zur durchfuehrung katalytischer endothermer oder exothermer reaktionen

Info

Publication number: DE2929300A1
Application number: DE19792929300
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Dr R Baldus
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1979-07-19
Filing date: 1979-07-19
Publication date: 1981-01-29
Also published as: ATA595479A; AT379760B

Description

Reaktor zur Durchführung katalytischer
endothermer oder exothermer Reaktionen Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung katalytischer, endothermer oder exothermer Reaktionen mit einem von reagierenden Fluiden durchströmten und mit Katalysatormaterial gefüllten Reaktionsraum, der in Wärmekontakt mit einem Wärme abgebenden oder aufnehmenden Fluid steht.
Viele reaktionskinetische Vorgänge, wie beispielsweise die Methanolsynthese oder die Ammoniaksynthese, spielen sich in Anwesenheit von Katalysatoren ab. Abhängig von den herrschenden Betriebs- und Reaktionsbedingungen, von den Katalysatoren und den geometrischen Verhältnissen in dem Reaktor, stellen sich bei den Reaktionen Gaszusammensetzungen ein, die dem Gleichgewichtszustand mehr oder weniger nahe kommen. Häufig laufen in den Reaktoren auch mehrere Reaktionen mit unterschiedlicher Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsenthalpie gleichzeitig ab. Die im Reaktor auftretenden Temperaturbereiche sind vielfach wegen der Mindestanspringtemperatur des Katalysators und/ oder wegen der Bildung unerwünschter Zwischenprodukte nach unten, wegen des Jeweils erwünschten Annäherungs- grades an das Gleichgewicht und auch aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Werkstoffe einschließlich des Katalysators, nach oben begrenzt. In jedem Fall ist die Herstellung eines erwünschten Temperaturverlaufs im Reaktor eine wichtige Bedingung für seine Auslegung.
So ist beispielsweise in der Zeitschrift "Chemtech", Juli 1973, Seiten 430 bis 455, ein Methanolreaktor der eingangs genannten Art beschrieben, be dem der Katalysator im Inneren von Rohren angeordnet ist, die von reagierenden Gasen durchströmt sind. Die bei der Reaktion entstehende Wärme wird von verdampfendem Kühlwasser Kühlfluid), das im Außenraum um die Rohre strömt, abgeführt. Das in der zitierten Literaturstelle gezeigte Temperaturprofil für einen solchen Reaktor ergibt, ausgehend von einer Gaseinlaßtemperatur, die unterhalb der Temperatur des Kühlfluids liegt, bedingt durch die katalytisch ausgelöste Reaktion, eine Erwärmung bis zu einem Höchstwert, der etwa 11° über der Kühlfluidtemperatur liegt und, bedingt durch die geringer werdende Reaktionswärme und den Wärmeübergang an das Kühlfluid, eine anschließende Abkühlung bis zur Gasaustrittstemperatur, die einige Grad über den Temperatur des Kühlfluids liegt.
Im beschriebenen Reaktor wird zunächst vom Gas und vom Katalysator noch Wärme aus dam Kühlmittel aufgenommen.
Würde die Eingangstemperatur der Gase höhere gewählt werden, würde auch die Höchsttemperatur im Reaktor nach oben verschoben werden, was aber wegen einer möglichen Schädigung des Katalysators, wegen der Gleichgewichtsbedingungen und aus wirtschaftlichen Gründen nur begrenzt möglIch Ist.
Der vorlIegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor der eingangs genannten Art zu entwickeln, der sich durch eine besonders gute Anpassung des tatsichlichen Temperaturverlaufs an dem für die Reaktion günstigsten Wert auszeichnet und der mit vertretbarem finanziellen und technischen Aufwand herstellbar ist.
Diese rufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Querschnittsfläche des Reaktionsraums sich entlang des Strömungswegs der reagierenden Fluide in Abhängigkeit von der zur Reaktion erforderlichen oder bei der Reaktion frei werdenden Wärmemenge ändert.
Der Querschnitt ist dem Verlauf der theoretisch optimalen Temperatur im Reaktor angepaßt, und zwar ist In Abschnitten, in denen große Wärmemengen freigesetzt (bei exothermen Reaktionen) oder benötigt werden (bei endothermen Reaktionen), der Querschnitt des Reaktionsraums möglichst klein und umgekehrt in Abschnitten, in denen kleine Wärmemengen freigesetzt oder benötigt werden, der Querschnitt möglichst groß gewählt. Dies bedeutet im ersten Fall ein großed Verhältnis von mit dem Wärme zu- oder abführenden Fluid in Berinrung stehender Wandfläche zu Katalysatorvolumen und damit ein besonders hohes Maß an Wärmeübertragungsvermögen vom Katalysator oder auf den Katalysator, während das Verhältnis Oberfläche zu Katalysatorvolumen im zweiten Fall kleIn ist und somit nur eIn geringer Wärmeaustausch stattfindet.
Durch den Gegenstand der vorlIegenden Erfindung ist es auf überraschend einfache Weise gelungen, den Temperaturverlauf in dem Reaktor den Jeweiligen GegebenheIten einer Reaktion möglIchst optimal anzupassen. Große Wärmemengen werden an denjenIgen Stellen im Reaktor den reagierenden Fluiden zugeführt oder entzogen, an denen diese Wärme tatsächlich benötigt oder erzeugt wird, während an anderen Stellen, an denen wenig Reaktionswärme benötigt oder erzeugt wird, durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Reaktors ein wesentlich geringerer Wärmetausch stattfindet.
Der Erfindungsgegenstand ist sowohl für Einphasensysteme (gasförmige Reaktionspartner) als auch für Zwelphasensysteme (gasförmige und flüssige Reaktionspartner) sowie für Festbettkatalysatoren und Fließbettkatalysatoren geeignet.
Zs hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß der Reaktionsraum ni wesentlichen aus Rohren besteht und die Rohre In mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern unterteilt sInd. Bei dieser Ausführungsform, bei der das KatalysatormaterIal Im Inneren der Rohre angeordnet ist, sind die Rohre parallel von den reaglerenden Fluiden durchströmt. Tm Außenraum um die Rohre ist ein Wärme abgebendes oder aufnehmendes Fluid geführt, je nachdem, ob es sich um eine endotherme oder eine exotherme Reaktion handelt. Selbstverständlich können neben den Durchmessern der einzelnen Rohrabschnitte auch deren Längen unterschiedlich groß gewählt sein, um auf diese Weise den Gegebenheiten im Reaktor noch besser Rechnung zu tragen.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, bei der der Reaktionsraum ebenfalls im wesentlIchen aus Rohren besteht, weisen die Rohre entlang des Strömungswegs der reagierenden Fluide sich kontinuierlich ändernde Durchmesser auf.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausfünrungsform des Erfindungsgegenstandes ist der Reaktionsraum von in das Kataly- -satormaterial eingebrachten Hemden mit entlang des Strömungswegs der reagierenden Fluide sich ändernden Durchmessern begrenzt und sind innerhalb der Hemden Rohre für das Wärme abgebende oder aufnehmende Fluid angeordnet. Der Strömungsquerschnitt für die Fluide ist je nach Anordnung der Hemden mehr oder weniger verengt. Das Katalysatormaterial innerhalb der Hemden ist von den Rohren durchdrungen. Eine Verengung des Strömungswegs für die reagierenden Fluide bedeuetet eine Vergrößerung des Verhältnisses Oberfläche zu Katalysatorvolumen des Reaktionsraum und gekehert. Es versteht sich von selbst, daß die durch die Hemden hervorgerufenen Verengungen oder Erweiterungen des Strömungsverquerschnitt sowohl durch eine stetIge als auch durch eine stufenweise Veränderung des Querschnitts erfolgen ann.
Bei Uber- oder Unterlastbetrieb des Reaktors muß de Gleichgewichtseinstellung nach anderen Gesichtspunkten als im Normalbetrieb erfolgen, da sich die Fluidgeschwindigkeiten, die Reaktionsenthalpien und auch die umgesetzten Flidmengen ändern. Selbst wenn also der Reaktor beim Normalbetrieb möglichst optimal an die Rektion angepaßt ist, kann es sein, daß bei einem Über- oder Unterlastbetrieb weniger güngstige Anpassungsbedingungen im Reaktor herrschen. Aus diesem Grund wird In WeIterbildung des Erfindungsgegenstandes vorgeschlagen, daß ein Teil des Reaktlonsraums eine vom restlichen Reaktionsraum abreichende Querschnittsverteilung enthalt des Strömungswegs aufweist und alternativ oder zusätzlich zum restlichen Reaktionsraum mit den Zuführungseinrichtungen der reagierenden Fluide verbindbar ist.
Bei dieser Ausführungsform weist ein Teil des Reaktionsraums eine Querschnittverteilung entlang des Strömungswegs auf, die möglichst optimale Anpassungsbedingungen beim Normalbetreib gewährleistet. Deneben ist ein weiterer Reaktionsraum vorgesehen, der bei Unter- oder ÜPberlastbetreib statt des für den Normalbetrieb vorgesehenen Reaktionsraums oder zusätzlich zu diesem an die Zuführungseinrichtungen für die reagierenden Fluide anschließbar ist. Dieser weItere Reaktionsraum weist entlang desw Strömungswegs eine Querschnittsverteilung auf, die für sich allein oder in Verbindung mit der Querschnittsverteilung des für den NormalbetrIeb vorgesehenen Reaktionsraums für die m Über- oder Unterlastbetrieb vorgesehen Fluidmengen und Fluidströmungsgeschwindigkeiten einen möglichst optimalen Temperaturverlauf ergibt.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Reaktors sind benachbarte Rohre bezüglich der Strömungsrlchtung antiparallel angeordnet. DIeser Aufbau ervreist sich dann als vorteilhaft, wenn bei antiparalleler Anordnung komplementäre Rohrabschnitte aufeinandertreffen, so daß beispielsweise neben einem Abschnitt mit großem Durchmesser beim antiparallel angeordneten Rohr ein Abschnitt mit kleinem Durchmesser zu liegen kommt. Auf diese Weise ist das Bauvolumen des Reaktors erheblIch reduziert.
Bei einer zweckmäßigen Modifikation des Erfindungsgegenstandes sind mindestens zwei der Rohre innerhalb des Reaktors zu einem Rohr vereinigt.
Für den erfindungsgemäßen Reaktor ergibt sich für jeden Durchmesser Di (in mm) eines Rohres zu der durch den Durchmesser Di strömenden Gasmenge pro Zeiteinheit V (in Nm³/h): Di = p ' Vq wobei p, q Konstante sind. Für p, q ergeben sich z.B. für einen Methanolsyntheseraktor die Zahlenwerte 15 # p # 25 und 0,12 5 q # 0,22.
Der erfindungsgemäße Reaktor ist insbesondere für eine Ammoniaksynthese oder für eine Methanol synthese geeignet, ohne jedoch auf diese Verwendungen beschränkt zu sein.
Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausfilhrungsbeispielen beschrieben.
Hierbei zeigen die Figuren 1 bis 6 verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Reaktor.
In sämtlichen Figuren ist mit 1 ein erfindungsräume auf.
bezeichnet, der in einem Mantel 2 untergebracht ist. Der Reaktor 1 ist nach Art eines Rohrwärmetauschers aufgebaut und weist zwei voneinander getrennte Strömungsräumeauf.
In den Figuren 1 bis 5 Ist der eie Strömungsraum 4 von mehreren Rohren 5 gebildet, die im Mantel 2 angeordnet und an ihren beiden Enden in Rohrplatten 6 eingeschweist sind.
Die Rohrenden stehen auf beiden Seiten mit Sammelräumen 7a, 7b in Verbindung, über die die reagierenden Fluide gemäß Pfeilen 3, 9 zu- und abgeführt werden. Der andere Strömungsraum 3, der von dem Mantel 2 begrenzt Ist, dient zur Führung eines Wärme zuführenden oder abführenden Fluids, das gemäß Pfeilen 10, 11 zu- und abgeführt wird. Die Rohre 5 sind mit einem Katalysatormaterial gefüllt. Erfindungsgemäß ändert sich der Durchmesser der Rohre 5 entlang des Strömungswegs der reagierenden Fluide, und zwar sind die Durchmesser so gewählt, daß an allen Stellen des Reaktionsraums ein möglichst idealer Gleichgewichtszustand und/oder günstige Wärme übertragungsverhältnisse herrschen, d.h. an den Stellen, an denen viel Wärme entsteht, oder zur Reaktion benötigt wird (je nachdem ob die ablaufende ReaktIon exotherm cder enaothermm ist), weisen die Rohre kleine Durchmesser auf, um das Reaktionsvolumen relativ zu der mit dem mantelseitig geführten Fluid in Verbindung stehenden Oberfläche zu verkleinern und umgekehrt.
So zeigt z.B. Figur 1 eine Anordnung, die eine gute Anpassung an ein erwünschtes Temperaturprofil liefert.
Für den in Figur 2 dargestellt Reaktor, der beispielsweise für die Methanolsynthese verwendet wird, sind im folgenden einige repräsentative Zahlenbeispiele zusammengestellt.
Gaszusammensetzung beim Eintritt 17 % CO, 73 % H2 in den Reaktor 5 ß CO2, 5 5 der Gasmenge pro Rohr V = 200 Nm3/h Gaseintrittstemperatur 245°C Eintrittstemperatur des Kühlwassers 2300 C Durchmesser erster Rohrabschnitt 45 mm Durchmesser zweiter Rohrabschnitt 52 mm Durchmesser dritter Rohrabschnltt 45 mm Länge erster Rohrabschnitt 2,5 m Länge zweiter Rohrabschnitt 1,5 rn Länge dritter Rohrabschnitt 4,0 m Raumgeschwindigkeit erster Abschnitt 40 000 bis 50 000 V/VKat Raumgeschwindigkeit zweiter Abschnitt 55 000 bis 70 000 V/VKat Raumgeschwindigkeit dritter Abschnitt 30 000 bis 40 000 V/VKat mit VKat (in m³) Volumen des Katalysatormaterials.
Etwas allgemeiner ausgedrückt gilt für einen derartigen Reaktor für dIe Methanolsynthese, daß die Zahl der Rohrabschnitte zwischen 2 und 5 liest und vorzugsweise 3 beträgt, daß die Durchmesser Di der Rohrabschnitte zwischen 20 und 100 mm betragen und daß für die Durchmesser Di (in mm) und für die Gasmenge pro Rohr V (in Nm³/h die Bedingung Di= = (15 ... 25) . n,12 ... 0,22 eingehalten werden sollte.
Figur 3 zeigt einen Reaktor, bei dem benachbarte Rohre 5 antiparallel bezüglich der Strömungsrichtung der reagierenden Fluide angeordnet sind. Diese Anordnung ist immer dann sinnvoll, wenn dadurch neben Rohrabschnitten mit großen Durchmessern solche mit kleinen Durchmessern und umgekehrt zu liegen kommen. Auf diese Weise wird Platz eingespart und der Reaktor kann kleiner gebaut werden.
Figur 4 zeigt einen Reaktor, bei dem sIch der Durchmesser der Rohre 12 entlang des Strömungswegs der reagirerenden Fluide kontinuierlich ändert.
In Figur 5 ist ein Ausschnitt eines Reaktors dargestellt, bei dem zwei Rohre 13, 14 zu einem ohr 15 vereinigt sInd. Diese Bauart stellt eine weitere Variationsmöglichkeit zur gleichzeitigen Optimierung von ReaktionsgleichgewIcht und Bauvolumen dar.
Figur 6 zeigt eine abgewandelte Bauform eines Reaktors. Hierbei ist der Katalysator nIcht in Rohren, sondern im gesamten Innenraum des Mantels 2 angeordnet. Das Wärme zuführende oder abführende Fluid ist in Rohren 16 geführt, die Innerhalb von Hemden 17 verlaufen. Pfeile 8, 9 geben die Strömungsrichtung der reagierenden Fluide, Pfeile 10, 11 die Strömungsrichtung des Wärme zuführenden oder abführenden Fluids an. Die Hemden 17 sind in das Katalysatormaterial eingelegt und begrenzen den Strömungsweg der reagierender.
Fluide seitlich. Sie verengen und erweitern den Strömungsquerschnitt Je nach den gegebenen Anforderungen. ie Querschnittsänderungen entlang des Strömungswegs können von tinuierlich oder in Stufen erfolgen.

Claims

Patentansprüche 1. Reaktor zur Durchführung katalytischer endothermer oder exothermer Reaktionen mit einem von reagierenden Fluiden durchströmten und mit Katalysatormaterial gefüllten Reaktionsraum, der in Wärmekontakt mit einem Wärme abgebenden oder aufnehmenden Fluid steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Reaktionsraums sich entlang des Strömungswegs der reagierenden Fluide in Abhängigkeit von der zur Reaktion erforderlichen oder bei der Reaktion frei werdenden Wärmemenge ändert.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum im wesentlichen aus Rohren (5, 13, 14, 15) besteht und die Rohre in mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern unterteilt sind.
3. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum im wesentlichen aus Rohren (12) besteht und die Rohre (12) entlang des Strömungswegs sich kontinuierlich ändernde Durchmesser aufweisen.
4. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum von in das Katalysatormaterial eingebrachten Hemden (17) mit entlang des Strömungswegs sich verändernden Durchmessern begrenzt ist und innerhalb der Hemden (17) Rohre (16) für das Wärme abgebende oder aufnehmende Fluid angeordnet sind.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Reaktionsraums eine vom restlichen Reaktionsraum abweichende Querschnittsverteilung entlang des Strömungswegs aufweist und alternativ oder zusätzlich zum restlichen Reaktionsraum mit den Zuführungseinrichtungen der reagierenden Fluide verbindbar ist.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Rohre (5) bezüglich der Strömungsrichtung antiparallel angeordnet sind.
7. Reaktor nach einem der Ansprüche 2, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Rohre (1, 14) innerhalb des Reaktors zu einem Rohr (15) vereinigt sind.
8. Reaktor nach einem der Ansprüche 2, 3, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß für Jeden Durchmesser Di (in mm) eines Rohres (5, 12, 13, 14, 15) folgende Beziehung zu der durch den Durchmesser Di strömenden Gasmenge pro Zeiteinheit V (in Nm3/h) besteht: Di = P wobei p, q Konstante sind.