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Reaktor
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Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung einer katalytischen
Methanolsynthese mit einem zylindrischen äußeren Gehäuse, einer in dem Gehäuse angeordneten
Schüttung aus Katalysatormaterial und in der Schüttung verlaufenden Rohren zur Führung
eines Kühfluids.
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Ein Reaktor dieser Art ist in der DE-OS 25 49 398 beschrieben worden.
Er dient zur Durchführung kontinuierlicher chemischer Umsetzungen, bei denen unter
Freiwerden von Wärme neue Reaktionsprodukte entstehen. Die entstehende Reaktionswärme
muß bereits im Reaktor abgeführt werden, um zu verhindern, daß unerwünschte weitere
Reaktionen stattfinden und um den Katalysator, der in der Regel sehr empfindlich
gegen zu große thermische Belastungen ist, zu schonen. Aus diesem Grund ist die
Katalysatorschüttung von um ein Kernrohr gewickelten Kühlrohren durchdrungen, in
denen ein Kühlfluid geführt ist, das die Reaktionswärme abführt. Diese Anordnung
der Kühlrohre wurde wegen der damit erreichbaren relativ großen Heizflächendichte
gewählt, die insbesondere bei der Durchführung stark exothermer Reaktionen, wie
der Methanolsynthese, erforderlich ist.
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Außerdem ermöglicht dieser Reaktortyp, bei dem der Katalysator im
Außenraum der Rohre angeordnet ist, eine gute Raumausnutzung durch den Katalysator.
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Als Nachteil des vorbekannten Reaktors hat sich herausgestellt, daß
sein gasseitiger Druckabfall relativ hoch ist.
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Der Druckabfall ist umso größer, je höher der Gasdruck ist und erreicht
bei der Niederdruck-Methanolsynthese, die beispielsweise bei einem Druck zwischen
50 und 120 bar stattfindet, eine nicht unerhebliche Größenordnung. Da der Gasdruck
nicht absinken darf, muß ein großer Beitrag an Kompressionsenergie aufgewendet werden,
um den Druckabfall im Reaktor zu kompensieren. Die zusätzlichen Energiekosten verteuern
das Syntheseverfahren. Ein weiterer Nachteil des vorbekannten Reaktors ist, daß
die bei der Methanolsynthese erforderliche Kühlflächendichte mit einfachen Mitteln
nicht beliebig vermehrbar ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
Reaktor der eingangs genannten Art zu entwickeln, der sich durch ausreichende Heizflächendichte
bei gleichzeitig niedrigem gasseitigem Druckabfall auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rohre in
der Schüttung geradlinig ausgebildet sind und im wesentlichen parallel zur Gehäuseachse
verlaufen.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der Rohre ist geeignete den Druckabfall
im Reaktor zu senken.
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Es bestand jedoch bisher ein Vorurteil der Fachwelt gegenüber derartigen
Reaktoren, insbesondere bei einer so stark exothermen Reaktion wie der Methanolsynthese,
bei der es auf besonders große Heizflächen ankommt, weil das Verhältnis Wärmetauschfläche
zu Raumeinheit in einem solchen Reak-
tor beschränkt ist.
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Es hat sich aber gezeigt, daß sich gerade mit einer solchen, bisher
als nachteilig empfundenen Konstruktion entscheidende Vorteile erzielen lassen.
Durch entsprechende Dimensionierung der Größe und Anzahl der Rohre läßt sich mit
dem Erfindungsgegenstand die erforderliche Kühlfläche bereitstellen und gleichzeitig
der Druckabfall im Reaktor, verglichen mit demjenigen im Reaktor gemäß der DE-OS
25 49 398, absenken.
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Die Energiekosten bei der Methanolsynthese werden dadurch verringert.
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In Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen, daß
die Rohre in Dreieck- oder in Viereckteilung über den Querschnitt des Reaktors verteilt
angeordnet sind.
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Die Anordnung der Rohre kann dabei in gleichseitigen, gleichschenkeligen
oder ungleichseitigen Dreiecken und ebenso in jeder beliebigen Viereckgeometrie
(z.B. Quadrat, Rechteck, Raute) erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
weisen die Rohre Mittel zum Vergrößern ihrer äußeren Oberfläche auf.
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Auf diese Weise wird die Wärmetauschfläche pro Raumeinheit vergrößert,
was wiederum den Vorteil mit sich bringt, daß die Anzahl der Rohre reduziert und
der Reaktor kleiner und leichter gebaut werden kann.
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Insbesondere hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn gemäß einer
Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes die Mittel zum Vergrößern der äußeren Oberfläche
der Rohre als Rippen ausgebildet sind, die sich parallel zu den Achsen der Rohre
radial von der Rohroberfläche nach außen erstrecken.
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In Strömungsrichtung der Reaktionsgase gesehen, weisen diese Rippen
einen sehr kleinen Querschnitt bei gleichzeitig sehr großer Oberfläche auf und sind
daher in hervorragender Weise zur Lösung der gestellten Aufgabe geeignet.
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Prinzipiell kann die Anzahl der Rippen frei gewählt werden, um die
Anpassung der Wärmetauschfläche an die Reaktionskinetik die Strömungsverhältnisse
im Reaktionsraum und die Geometrie des Reaktors zu optimieren. Es zeigt sich jedoch,
daß eine zu große Anzahl von Rippen Schwierigkeiten beim Einfüllen der Katalysatorschüttung
in den Reaktor verursacht, da bei engem Rohrabstand die Rippen teilweise ineinander
eingreifen und eine gleichmäßige Verteilung des Katalysatormaterials verhindern.
Es wurde gefunden, daß diese Schwierigkeiten überwunden werden können, wenn höchstens
acht Rippen vorgesehen sind, die an einander gegenüberliegenden Seiten der Rohre
befestigt sind.
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Vorzugsweise werden zwei, drei, vier oder acht Rippen befestigt. Durch
Variation von Rohrdurchmesser, Rohrabstand, Rohrteilung, sowie Anzahl und Anordnung
der Rippen läßt sich der erfindungsgemäße Reaktor hinsichtlich der Kühlflächendichte
sowie der leichten Befüllbarkeit und Entleerbarkeit mit Katalysatormaterial optimieren.
Je nach den Erfordernissen werden die Rippen in gleichen oder in verschiedenen Winkelabständen
voneinander angeordnet.
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Bei einer weiteren Modifikation des Erfindungsgegenstandes sind die
Mittel zur Vergrößerung der äußeren Oberfläche der Rohre als Wendel ausgebildet,
die an der Außenseite eines jeden Rohres befestigt ist.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors
sind die Rohre in ihrer gesamten Länge geradlinig und an mindestens einem ihrer
beiden Enden in Rohrböden zu-
sammengefaßt.
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Diese Bauart besitzt den Vorteil, daß das Kühlfluid bei stehender
Anordnung des Reaktors, d.h. mit vertikal verlaufenden Rohrachsen, im Naturumlauf
geführt werden kann: Das Kühlfluid wird in flüssiger Form den Rohren auf der Unterseite
zugeführt und verdampft entlang der Rohre, wobei der Dampf von selbst nach oben
aufsteigt und an den oberen Rohrenden aus tritt.
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Für den Fall, daß die Rohre an ihren beiden Enden in zwei Rohrböden
befestigt sind, die an den beiden Enden des Reaktors fest mit dem Reaktor verbunden
sind, treten in den Rohren thermische Spannungen auf. Es ist daher zweckmäßiger,
nur jeweils ein Ende der Rohre in einem Rohrboden zu befestigen und die freien Rohrenden
direkt mit einem Sammler zu verbinden.
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Die erwähnten thermischen Spannungen werden auch vermieden bei einer
anderen günstigen Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes, bei der die Rohre U-förmig
ausgebildet sind und mit ihren beiden Enden in einem einzigen Rohrboden zusammengefaßt
sind. Wahlweise können die Rohre am oberen Ende des Reaktors (hängende Anordnung)
oder am unteren Ende des Reaktors (stehende Anordnung) befestigt sein. Die letztere
Anordnung erlaubt ein besseres Befüllen des Reaktors mit Katalysatormaterial. In
beiden Fällen stehen die Rohrenden mit zwei getrennten Sammelräumen für das Kühlfluid
in Verbindung. Das Kühlfluid wird dabei jeweils im Zwangsumlauf geführt.
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Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand schematisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Hierbei zeigen: Figur 1 einen erfindungsgemäßen Methanolreaktor mit
geraden Rohren, Figur 2 einen erfindungsgemäßen Methanolreaktor mit U-förmigen Rohren,
die Figuren verschiedene Anordnungen von Rohren und 3,4,5,6,7 Kühlrippen bei einem
erfindungsgemäßen Methanolreaktor, Figur 8 ein Kühlrohr mit aufgeschweißter Wendel.
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Der mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Methanolreaktor in Figur 1
weist ein in seinem Mittelteil zylindrische Gehäuse 2 auf. Auf einer Lochplatte
3, die sich über den inneren Querschnitt des Gehäuses 2 erstreckt, ist eine Schüttung
aus einem Katalysatormaterial 4 angeordnet. Im Innern der Schüttung verläuft eine
Vielzahl von Rohren, von denen in Figur 1 stellvertretend ein Rohr 5 dargestellt
ist. Die Rohre sind im wesentlichen geradlinig ausgebildet und an ihren oberen Enden
in einem Rohrboden 6, der oberhalb der Katalysatorschüttung mit dem Gehäuse verbunden
ist, zusammengefaßt. Die unteren Enden der Rohre münden in einen Sammler 7, der
unterhalb der Lochplatte 3 angeordnet ist und über ein Zuführungsrohr 8 mit einem
Eintrittsstutzen 9 für ein Kühlfluid 10 verbunden ist.
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Anstelle von Zuführungsrohr 8 und Sammler 7 wäre auch eine Konstruktion
möglich, bei der die unteren Enden der Rohre 5 in einem unteren Rohrboden zusammengefaßt
sind. Hierbei treten jedoch in den Rohren unerwünschte thermische Spannungen auf.
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Die im Rohrboden 6 zusammengefaßten Rohre münden in einen Sammelraum
11, in dem das durch die Rohre geleitete Kühlfluid gesammelt und über einen Anschlußstutzen
12 aus dem
Reaktor 1 abgeführt wird.
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Mit der oben beschriebenen Anordnung der Kühlrohre läßt sich ein Naturumlauf
des Kühlfluids erreichen. Das Kühlfluid 10 strömt zunächst durch das Zuführungsrohr
8 in den Sammler 7 nach unten und wird von dort durch den statischen Flüssigkeitsdruck
in die Rohre 5 gedrückt, in denen es zumindest teilweise verdampft und nach oben
aus dem Reaktor 1 entnommen wird.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Rohre mit Rippen
16 zur Vergrößerung ihrer äußeren Oberfläche versehen.
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Die Rippen 16 erstrecken sich parallel zu den Achsen der Rohre radial
von der Rohroberfläche nach außen.
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Durch einen Stutzen 13 wird Synthesegas 14 in das Gehäuse 2 des Reaktors
1 geleitet und strömt über den Katalysator 4 nach unten. In Anwesenheit des Katalysators
4 findet die katalytische Umsetzung des Synthesegases zu Methanol statt.
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Die Umsetzungsreaktion ist stark exotherm. Die entstehende Riaktionswärme
wird durch die Kühlrohre 5 abgeführt, wobei der gasseitige Druckabfall relativ gering
ist, da die Kühlrohre und die auf den Kühlrohren angeordneten Kühlrippen in Längsrichtung
angeströmt werden. Dennoch wird mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Rohre eine
sehr große Kühlflächendichte erreicht.
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Das Methanol sowie nicht reagiertes Gas verlassen den Reaktor 1 über
Stutzen 15 (Pfeil 17).
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I Der Methanolreaktor gemäß Figur 2 unterscheidet sich vor allem durch
die Anordnung der Kühlrohre von dem Methanolreaktor gemäß Figur 1.
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Dieser Methanolreaktor 18 weist ebenfalls ein äußeres Ge-
häuse
17 sowie eine Schüttung aus Katalysatormaterial 20 auf, die auf Lochplatte 21 ruht.
Zur Zuführung von Synthesegas in den Katalysatorraum ist ein Stutzen 22 am Gehäuse
19 vorgesehen. Zur Entnahme des Methanol enthaltenden Synthesegases ist unterhalb
der Lochplatte 21 ein Stutzen 23 am Gehäuse 9 vorgesehen.
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In einem unterhalb der Lochplatte 21 angeordneten Rohrboden 25 sind
U-förmige Rohre zusammengefaßt, die den Katalysator 20 durchdringen und zur Führung
eines Kühlfluids dienen. Stellvertretend ist in der Figur ein U-förmiges Rohr 24
dargestellt. In der Schüttung sind die Rohre geradlinig ausgebildet. Die beiden
Enden der Rohre münden in zwei durch eine Trennwand 26 voneinander getrennte Sammelräume
27 und 28. Uber Stutzen 29 bzw. 30, die mit den Sammelräumen 27 und 28 in Verbindung
stehen, wird ein Kühfluid zu- und abgeführt (Pfeile 31 und 32).
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Zur Vergrößerung der gasseitigen Kühlfläche sind die Rohre 24 des
erfindungsgemäßen Methanolreaktors mit Rippen 33 versehen.
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Verschiedene Anordnungen von Rippen an den äußeren Oberflächen der
Rohre zur Führung des Kühlfluids sind in den Figuren 3 bis 7 dargestellt, die jeweils
eine Teilansicht eines Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Reaktor 1, 18
darstellen.
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Die Rohre 34 gemäß Figur 3 weisen je acht in gleichen Winkelabständen
nach außen weisende Rippen 35 auf. Die Rohre 34, die beispielsweise einen Durchmesser
von 30 mm und eine Wandstärke von 1,5 mm aufweisen, sind in einer Dreieckteilung
untergebracht, d.h. die Achsen dreier benachbarter Rohre liegen auf einem-gleichseitigen
Dreieck. Die Länge der Rippen beträgt in diesem Beispiel 20 mm.
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Figur 4 zeigt Rohre 36, die in Viereckteilung angeordnet sind. Jedes
Rohr 36 weist 4 in gleichen Winkelabständen voneinander radial nach außen weisende
Kühlrippen 37 auf, wobei die Rippen benachbarter Rohre 36 um 450 gegeneinander versetzt
angeordnet sind. Der Rohrdurchmesser beträgt beispielsweise 24 mm, die Länge der
Rippen 20 mm. Ls ist auch eine Anordnung denkbar, bei der die entsprechenden Kühlrippen
37 benachbarter Rohre 36 parallel zueinander angeordnet sind.
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In Figur 5 sind Rohre 38 gezeigt, die in Dreieckteilung angeordnet
sind. Jedes Rohr weist drei in gleichen Winkelabständen voneinander radial nach
außen weisende Kühlrippen 39 auf. Die Länge der Rippen beträgt beispielweise 20mm,
der Durchmesser der Rohre ebenfalls 20 mm.
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Die Figuren 6 und 7 sind zweierlei Anordnungen von Kühlrohren 40 mit
jeweils zwei Kühlrippen 41 dargestellt. Die Rohre in Figur 6 sind in Dreieckteilung,
diejenigen in Figur 7 in Viereckteilung angeordnet. Der Anstellwinkel °C1 der Kühlrippen
41 zu der Ebene einer Rohrlage beträgt in Figur 6 900, der Anstellwinkel oC 2 in
Figur 7- etwa 30n. Die Breite der Kühlrippen beträgt 20 mm, der Rohrdurchmesser
18 mm.
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Figur 8 zeigt ein Kühlrohr 42, auf dessen Oberfläche eine Wendel 43
befestigt ist. Der Rohrdurchmesser beträgt beispielsweise 30 mm, die Breite b der
Wendel ebenfalls 30 mm.
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Es versteht sich von selbst, daß Rohrdurchmesser, Rippenhöhe, Rippenzahl,
Bodenteilung, Anstellwinkel der Rippen und Verteilung der Rippen am Umfang in weiten
Bereichen variiert werden können, um den Reaktor optimal den Reaktionsbedingungen
und der Geometrie des Katalysatormaterials anzupassen. So ist beispielweise auch
eine nicht symmetrische Verteilung von Rippen um die Kühlrohre denkbar.
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Der Durchmesser der Kühlrohre liegt vorzugsweise zwischen 10 und 60
mm, die Rippenhöhe zwischen 0 und 60 mm.
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In der folgenden Tabelle sind für einen erfindungsgemäßen Methanolreaktor
mit unberippten Kühlrohren (A), einen erfindungsgemäßen Methanolreaktor mit Kühlrohren
mit je zwei Rippen (B) und für einen vorbekannten Methanolreaktor mit gewickelten
Rohren (C) einige Zahlenwerte gegenübergestellt.
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Durch den Erfindungsgegenstand läßt sich bei annähernd gleicher oder
sogar größerer Heizfläche ein niedrigerer Druckabfall erzielen. Die theoretisch
berechnete lleizfläche für Reaktor C wäre zwar größer, sie reduziert sich jedoch
aufgrund gegenseitiger Abdeckung der Kühlrohre auf den angegebenen Wert. Es zeigt
sich, daß mit dem Erfindungsgegenstand größere Heizfläche (A) oder sogar wesentlich
größere Heizfläche (B) bei geringerem gasseitigen Druckabfall bereitstellen läßt.
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Tabelle Reaktortyp A B C Katalysatorvolumen 60 m3 60 m3 60 m3 Rohrdurchmesser
18 mm 18 mm 25 mm Anzahl der Rohre 12400 7800 530 Heizfläche 4900 m2 7500 m2 4100
m2 Druckabfall gasseitig 1-1,5 bar 1-1,5 bar größer als 1,5 bar