DE3000714C2 - Vorrichtung zum gleichmäßigen Verteilen eines Fließmediums in einem Reaktionsraum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gleichmäßigen Verteilen eines Fließmediums in einem Reakttonsraum, insbesondere eines Heiz- oder Kühlmittels in einem katalytischer! Reaktionsraum mit trägersubstanz-gebundenem Katalysator, mit einer Anzahl in einer gemeinsamen Ebene im Abstand voneinander angeordneter, mit öffnungen versehener Verteilerleitungen für das Fließmedium, weiche unmittelbar mit einer Zuführleitung in Verbindung stehen, und von denen jede im Abstand von einer gleichachsigen, mit Öffnungen versehenen äußeren Verteilerleitung umgeben ist

Eine solche Vorrichtung ist aus der US-PS 36 94 169 und der GB-PS 11 05 614'bekannt und besonders für die Verwendung in der Erdölindustrie und der Petrochemie geeignet und kann bei endothermen Vorgängen dazu dienen, ein Heizmittel sowie bei exothermen Vorgängen ein Kühlmittel über einen Katalysator zu verteilen, der üblicherweise an einer Trägersubstanz gebunden ist Abhängig von dem jeweiligen Vorgang kann das Fließmedium in der dampfförmigen Phase, in der flüssigen Phase oder in einer Mischphase aus Dampf und Flüssigkeit in den Reaktionsraum eingeführt werden. In vielen Fällen kann als temperatursteuerndes Fließmedium das ohnehin für den chemischen Vorgang erforderliche Zusatzmittel nach entsprechender Erwärmung bzw. Kühlung mit herangezogen werden.

Der Fall der Mischphase tritt dabei vor allem bei exothermen Vorgängen auf, bel?nielsweise bei der Umwandlung von Kohlenwasserstolfen durch Crack- und Hydrierverfahren, durch Entziehen von Schwefel und Stickstoff und durch andere Behandlungen mit Wasserstoff, bei welchen Wasserstoff verbraucht und somit vom Prinzip her Prozeßwärme erzeugt wird. Ausgangsstoffe sind dabei häufig Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt oberhalb desjenigen von Benzin (200°C), nämlich Petroleum, leichte und schwere Gasöle sowie asphaltenthaltige Dunkelöle mit einem Siedepunkt oberhalb von etwa 570° C.

Ausschlaggebend für den Erfolg eines katalytischen Verfahrens ist, daß das Reagenzmittel ganz gleichmäßig über den festen Katalysator verteilt wird, vor allem an der Stelle, an welcher ein Heiz- oder Kühlmittel zugeführt wird. Von gleicher Wichtigkeit ist ein ständiger Kontakt des Reagenzmittels mit dem Zusatzmittel, beispielsweise dem Wasserstoff. Schließlich kann die Temperatursteuerung des Vorganges durch das Heiz- oder Kühlmittel nur dann optimal sein, wenn dieses Mittel gleichmäßig in dem Reagenzmittel verteilt wird, damit ein gleichförmiger Wärmeübergang stattfindet Diese gleichmäßige Verteilung ist aber bei den bekannten Vorrichtungen gemäß der GB-PS 11 05 614 und der US-PS 36 94 169 nicht hinreichend gewährleistet, insbesondere weil bei diesen bekannten Vorrichtungen eine beträchtliche Erwärmung des Fluids eintreten kann, wenn dieses zu den äußeren Enden der inneren Verteilerleitung fließt.

Bei anderen bekannten Vorrichtungen der hier betrachteten Art, bei welchen als Verteilerleitungen for das Fließmedium zwei oder mehrere konzentrische, perforierte und in einer horizontalen Ebene angeordnete ringförmige Rohre dienen — derartige Vorrichtun- ■"> gen sind in den US-PS 26 32 692 und 32 08 833 beschrieben — tritt im Betrieb die Schwierigkeit auf, daß sich die ringförmigen Rohre bei der herrschenden hohen Temperatur etwas verziehen, wodurch das Heizoder Kühlmittel über den Umfang der Ringrohre mit i" unterschiedlichem Druck austritt, so daß der Wärmeübergang sehr ungleichmäßig wird und der chemische Vorgang über den Querschnitt des Reaktionsraumes mit unterschiedlicher Geschwindigkeit abläuft. Gleichzeitig schwankt mit dem örtlich unterschiedlichen Druck auch '⁵ die jeweils abgegebene Fließmediummenge, so daß sich die Gleichmäßigkeit des Wärmeüberganges noch weiter verschlechtert und auch die Mischung des zugeführten Fließmediums mit dem Reagenzmittel sehr ungleichmäßig wird.

Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß eine besonders gleichmäßige Verteilung des Füeßmediums erreicht wird, daß eine starke Erwärmung des Fließmediums, wenn dieses zu den äußeren Enden der inneren Verteilerleitungen fließt, verhindert wird und daß auch bei stärkster Beanspruchung keine Formund Dimensionsänderungen eintreten, welche eine gleichmäßige Verteilung des Fließmediums nachteilig beeinflussen könnten.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen den inneren Verteilerleitungen und den äußeren Verteilerleitungen eine Anzahl ringförmiger Scheiben im Abstand voneinander und senkrecht zur Längsachse der Verteilerleitungen angeordnet sind, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser der inneren Verteilerleitungen und deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser der äußeren Verteilerleifungen im wesentlichen entsprechen.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die ringförmigen Scheiben dafür sorgen, daß in dem Ringraum zwischen der betreffenden inneren Verteilerleitung und der zugeordneten äußeren Verteilerleitung rings um die innere Verteilerleitung eine stagnierende Fluidschicht geschaffen wird, wodurch eine Wärmeübertragung in das Fluid verhindert bzw. erschwert wird, wenn dieses zu den äußeren Enden der inneren Verteierleitung fließt.

Die ringförmigen ScJ^iben dienen weiterhin dazu, eine Strömung des Fluids bzw. des Fließmediums zu Bereichen niedrigeren Drucks des Katalysatorbettes durch den Ringraum zwischen einer inneren Verteilerleitung und einer äußeren Verteilerleitung zu verhindem. Stattdessen sorgen die Scheiben dafür, daß das Fluidmedium, welches aus einer öffnung der inneren Verteilerleitung austritt, nur durch die öffnungen der äußeren Verteilerleitung in den Katalysator austreten kann, die zwischen den zwei der betreffenden inneren <>o und äußeren Auslaßöffnung benachbarten Scheiben liegen. Gleichzeitig sorgen die ringförmigen Scheiben für eine mechanische Stabilisierung der gesamten Vorrichtung. Darüber hinaus wird auch eine besonders intensive Vermischung des Fließmediums mit dem Reagenzmittel erreicht, was vor allem dann wichtig ist, wenn das Fließmedium gleichzeitig als Zusatzniittel für die Reaktion dient.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann leicht an die verschiedenen Aggregatzustände des Fiießmediums angepaßt werden und läßt sich somit gleichermaßen für dampfförmige, flössige oder gemischte Phasen anwenden. Sie kann für die Zufuhr eines Heiz- oder Kühlmittels an beliebige Teile des Reaktionsraumes, aber mit dem gleichen Vorteil auch für die Einführung des Reagenzmittels sowie auch des Zusatzmittels in den in Strömungsrichtung vorderen Teil des Reaktionsraumes verwendet werden.

Die innige Vermischung des Fließmediums mit dem Reagenzmittel läßt sich gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung noch dadurch weiter verbessern, daß die öffnungen in den inneren Verteilerleitungen so gegen die Öffnungen in den äußeren Verteilerleitungen versetzt sind, daß sie gegen nicht mit öffnungen versehene Wandteile der äußeren Verteilerleitungen gerichtet sind, wobei zweckmäßigerweise die öffnungen in den inneren Verteilerleitungen unter 90° und die öffnungen in den äußeren Verteilerleitungen unter 30° gegenüber einer vertikalen Symmet.rieebene angeordnet sind. Hierdurch wird die Strömung des Reagenzmittels unmittelbar ai: den Austrittspunkte« des Fließmediums beschleunigt Dabei wird der Strahleffekt des aus den kleinen öffnungen in den inneren Verteilerleitungen austretenden iFließmediums ausgenutzt, um das Reagcnzmittel buchstäblich durch den Ringraum zwischen den beiden Verteilerleitungen zu pumpen.

Vorteilhafterweise bilden jeweils zwei benachbarte ringförmige Scheiben in Längsrichtung der Verteilerleitungen zwischen diesen Verteilerleitungen eine getrennte Ringkammer, die Öffnungen sowohl in den inneren als auch in den äußeren Verbindungsleitungen enthält. Hierdurch wird erreicht, daß das aus einer öffnung der inneren Verteilerleitung austretende Fließmedium nur durch öffnungen der äußeren Verteilerleitung in der gleichen Ringkammer in den Katalysator gelangen kann. Weiterhin können jeweils zwei andere benachbarte ringförmige Scheiben in Längsrichtung der Verteilerleitungen zwischen den Verteilerleitungen eine getrennte Ringkammer mit stehendem Fließmedium bilden, die keine Öffnungen in den Verbindungsleitungen aufweist und dadurch einen Wärmeübergang zum Fließmedium erschwert. Beide Maßnahmen verhindern, daß das Fließmedium auf seinem Weg zu den Enden der inneren Verteilerleitung aufgeheizt wird.

Weiterhin nimmt die Verteilervorrichtung vorzugsweise zwischen 60 und 90% der Querschnittsfläche des Reaktionsraumes ein, wodurch sie einen beträchtlichen Teil der Querschnittsfläche des Katalysators im Reaktionsraum blockiert, so daß über dem Katalysatorbett zwischen den einzelnen Verteilerleitungen ein relativ hoher Druckabfall entsteht, der ebenfalls ein Hieben des Reagenzmittels durch den Ringraum zwischen den beiden Verteilerleitungen begünstigt,

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen. Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung in einem Ausführungsbeisp'el näher erläutert, das die Verteilung eines gasförmigen Fiießmediums bei einem exothermen Vorgang mit einem Reägenzfflittel in Mischphase zeigt und dem weitere Vorteile, Merkmale unrf Ausgestaltungen der Erfindung zu entnehmen sind. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels in einem senkrecht iahenden zylindrischen Reaktionsraum,

F i g. 2 einen Teilschnitt gemäß Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 und F i g. 4 einen Querschnitt durch die beiden konzentrischen Verteilerleitungen,

F i g. 5 eine Seitenansicht der inneren Verteilerleitung und

Fig. 6 eine vergrößerte, teilweise geschnittene Seitenansicht ähnlich derjenigen nach F i g. 5.

In Fig. I ist eine Verteilervorrichtung 1 für ein Fließmedium in Draufsicht dargestellt, die sich in einem senkrecht angeordneten zylindrischen Reaktionsrauni 2 befindet. Das Fließmedium, beispielsweise Wasserstoffgas, tritt über eine Einlaßöffnung 3 und eine Zuführleitung 4 ein. welch letztere sich im wesentlichen 'ibor den gan/cn Durchmesser <Jes Reaktionsraumes 2 erstreckt.

I 'ntcrhalb der Zuführleitung 4 befinden sich eine Anzahl von Verteilerleitungen für das Fließmediiim. welche jeweils aus einer äußeren Verteilerleitung 5 und einer inneren Verteilerleitung 6 bestehen und in einer gemeinsamen horizontalen F.bene liegen, die senkrecht

Zuführleitung 4 steht. Wie deutlicher aus Fi g. 2 hervorgeht, ist die Zuführleitung 4 unmittelbar nur mit den inneren Verbindungsleitungen 6 verbunden, wozu Redu/ierkupplungen 7 dienen. Aus I- ι g. 1 ist /u ersehen, daß die gesamte Verteilervorrichtung I etwa 80"'.i der Qucrschnittsfläche des Reaktionsraumes 2 einnimmt.

demäß F'ι g. 2 strömt das Fließmcdiiim von der Zuführleitung 4 durch kurze vertikale Verbmdungsstut /en 8. die Redii/ierkupplungcn 7 und etwas l.ingcre Verbindungsstut/en 9 geringeren Querschnittes m die inneren Verbindungsleiüingen 6. I'her zwei, gegeneinander um 180 versetzte öffnungen 6,7 strömt das Hießmedium gegen einen nicht mit Öffnunger versehenen Wandteil der äußeren Verbindungsleitungen 5. der 14 gegenüber einer vertikalen Svmiietrieebene versetzte Öffnungen 5a aufweist, die -.orteilhafterweise zur Mute der \ erhindungsleitungen 5 und 6 hin abgeschrägt sind.

Die Lage der Verteilerleitungen 5 und 6 sowie der Öffnungen 5,i und 6,/ geht deutlicher .ms den F ι g. 1 und 4 her.or. denen weiterhin eine der Stabilität dienende ^rmgf< innige Scheibe 10 sow ic eine siebartig nut Lochern Mj -.ersehene und die äußere Verteilerleitung 5 uir.gebende HuIIe Il zu entnehmen sind. Die Strahlwirkung de^ .i■.■■· ,!cn Öffnungen 6j austretenden Flieumediums pumpt J,is Reagenzmittel geradezu durch die Öffnunge" 5,.' in den Rineraum zwischen den Verteilerleitungen 5 und 6 hinein, wodurch diese in Zusammenwirkung mit dem Anströmen des nicht mit Öffnungen .ersehene" Wandteiies der äußeren Verteierleitungen 5 inmg mit dem Hießmedium vermischt wird. Die Löcher 11a in der Hülle 11 haben einen solchen Durchmesser, daß keine Katalysatorträger hindurch gelangen können.

F i g. 5 zeigt eine innere Verteilerleitung 6 mit einigen

aufgesetzten ringförmigen Scheiben 10. Wie deutlich zu erkennen ist, trennen jeweils zwei benachbarte Scheiben 10 die öffnungen 6a voneinander. In F i g. 6 ist dargestellt, wie hierdurch zwischen den beiden Verteilerleitungen 5 und 6 getrennte Ringkammern 13 gebildet werden. In dem Verbindungsstutzen 9 befindet

in sich ein Leitblech 10a, das dazu dient, das Fließmedium gleichmäßig auf beide Teile der inneren Verbindungslei- tunp ft umzulenken, so daß dieses durch deren ganze Lange fließen kann. Zwischen jeweils zwei Ringkammern Π befindet sich eine Ringkammer 12 mit

' stehendem Fließmediiim. welche der Wärmcisolation der inneren Verteilerleitung 6 gegen den Reaktion*- raum 2dient.

Die einzelnen Abmessungen der Verteilervorrichtung 1 hängen von vielen Einzelheiten ab, beispielsweise von

Alisgangsstoffes im Reagenzmittel, von der F.igenart der durchzuführenden chemischen Reaktionen und der beabsichtigten Qualität des Endproduktes, von der Zuführungsgeschwindigkeit des Ausgangsstoffes, von den Abmessungen des katalvtischen Reaktionsraumes 2. son der Menge des darin untergebrachten Katalysators und von der zu erwartenden Wärmemenge der exothermen Reaktion. Die folgenden Maßangaben sind somit r,.: als ein ganz spezielles Beispiel zu werten.

Der Druckabfall über den Öffnungen 6a in der inneren Verteilerleitung 6 beträgt zwischen 0.3 und I bar. Diese öffnr-ngen 6a haben einen Durchmesser zwischen 0.8 und 4 mm. Die öffnungen 5a in der äußeren Verteilerleitung 5 besitzen einen Durchmesser zwischen 16 und 22 mm. In einer Ringkammer 12 befinden sich üblicherweise zwei öffnungen 5a und zwei bis vier öffnungen 6a. Das Durchmesserverhältnis von äußeren (5) zu inneren Verteilerleitungen 6 beträgt /wischen 2 : 1 und4 : I.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Reaktionsraum 2 einen Innendurchmesser von 3.7 m auf und besitzt 25 Doppel-Verteilerleitungen 5,6. von denen die inneren Verteilerleitungen 6 einen Durchmesser von 25 mm und deren öffnungen ha einen Durchmesser von !.6 mm haben. Die äußeren Verteilerleitungen 5 besitzen einen Durchmesser von 76 mm und ihre Öffnungen 5a einen solchen von 19 mm. Entlang der Längsausdehnung der Verteilerleitungen 5,6 weisen die Ringkammern 13 eine Breite von 25 mm und die Öffnungen 5a.6a einen Abstand von 76 mm auf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zum gleichmäßigen Verteilen eines FlieBmediums in einem Reaktionsraum, insbesondere eines Heiz- oder Kühlmittels in einem katalytisehen Reaktionsraum mit trägersiibstanz-gebundenem Katalysator, mit einer Anzahl in einer gemeinsamen Ebene im Abstand voneinander angeordneter, mit öffnungen versehener Verteilerleitungen für das Fließmedium, welche unmittelbar mit einer Zuführleitung in Verbindung stehen, und von denen jede im Abstand von einer gleichachsigen, mit öffnungen versehenen äußeren Verteilerleitung umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den inneren Verteilerleitungen (6) und den äußeren Verteilerleitungen (5) eine Anzahl ringförmiger Scheiben (10) im Abstand voneinander und senkrecht zur Längsachse der Verteilerleitungen (5,6) angeordnet sind, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser der inneren Verteilerlejtungen (6) und deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser der äußeren Verteilerleitungen (5) im wesentlichen entsprechen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren (6) und äußeren Verteilerleitungen (5) unterhalb der Zuführleitung (4) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Öffnungen (5a) in den äußeren Verteilerleitungen (5) einen größeren Durchmesser aufweisen als die öffnungen (6a) in den inneren Verteilerleitungen (6).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ^-..-de äußere Verteilerleitung (5) von einer siebartig mit Löchern (Ua) versehenen Hülle (11) umgeben i t.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (5a) in den äußeren Verteilerleitungen (5) nach innen abgeschrägt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6a) in den inneren Verteilerleitungen (6) so gegen die öffnungen (5a) in den äußeren Verteilerleitungen (5) versetzt sind, daß sie gegen nicht mit öffnungen (5a) versehene Wandteile der äußeren Verteilerleitungen (5) gerichtet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (Sa) in den inneren Verteilerleitungen (6) unter 90° und die öffnungen (5a^ in den äußeren Verteilerleitungen (5) unter 30° gegenüber einer vertikalen Symmetrieebene angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte ringförmige Scheiben (10) in Längsrichtung d^r Verteilerleitungen (5, 6) zwischen diesen Verteilerleitungen (5,6) eine getrennte Ringkammer (13) bilden, die öffnungen (5a, 6a) sowohl in den inneren (6) als auch in den äußeren Verbindungsleitungen (5) enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei andere benachbarte ringförmige Scheiben (10) in Längsrichtung der Verteilerleitungen (5, 6) zwischen diesen Verteilerleitungen (5,6) eine getrennte Ringkammer (12) mit stehendem Fließmedium bilden, die keine öffnungen (5a, 6a) in den Verbindungsleitungen (5,6) aufweist.

10, Vorrichtung nach einem der Ansprüche \ bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (4) über je einen Verbindungsstutzen (9) an einen mittleren Bereich der inneren Verbindungsleitungen (6) angeschlossen ist und daß in den Verbindungsstutzen (9) Leitbleche (iOa) für das Fließmedium angeordnet sind.