DE3049172A1

DE3049172A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufheizen eines roehrenreaktors

Info

Publication number: DE3049172A1
Application number: DE19803049172
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 6367 Karben Cornelius; Hermann Ing.(grad.) 6232 Bad Soden Göhna; Wolfgang Dipl.-Ing. 6000 Frankfurt Hilsebein
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1980-12-24
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1982-07-29
Also published as: GB2089674B; IN154616B; MX159106A; GB2089674A

Description

METALLGESELLSCHAFT AG Frankfurt, den 23.12.1980

Nr. 8639 Lö , -WGN/HSZ-

Verfahren und Vorrichtung zum Aufheizen eines Röhrenreaktors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Röhrenreaktor mit Katalysator enthaltenden Röhren, die in einem Kühlbereich von Kühlwasser umgeben sind, sowie eine Vorrichtung hierzu.

Röhrenreaktoren dieser Art sind bekannt und werden z.B. für die Methinolsynthese verwendet. Einzelheiten darüber finden sich in den deutschen Patenten 1 930 702, 2 024 301 und der deutschen Auslegeschrift 21 53 437; dazu korrespondieren die US-Patentg 3 897 471 und 3 962 300 sowie das britische Patent 1 389 709.

Der Röhrenreaktor dient dazu, Synthesegas, welches durch die den Katalysator enthaltenden Röhren geleitet wird, unter geeigneten Bedingungen von Druck und Temperatur zum gewünschten Produkt umzusetzen. Da die Synthese exotherm verläuft, muß ständig Energie abgeführt werden, was durch das Kühlwasser geschieht. Die Umsetzungen am Katalysator bedürfen jedoch einer Mindesttemperatur. Deshalb ist es beim Anfahren des Reaktors nötig, das Kühlwasser und den Katalysator genügend aufzuheizen. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Aufheizung auf einfache und wirksame Weise durchzuführen. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß man Wasserdampf mit Überdruck in eine Mischkammer leitet, welcher man aus dem oberen Kühlbereich verdrängtes Kühlwasser zuführt, und aus der Mischkammer erhitztes Wasser oder ein Wasserdampf-Wasser-Gemisch in das Kühlwasser im unteren Kühlbereich drückt.

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Auf diese Weise entsteht ein Kreislauf an Kühlwasser, das sich dabei ständig erwärmt. Günstig ist hierbei, daß eine Kreislaufführung von Gas durch den Katalysator unnötig wird. Dadurch können die Anlagenteile, die zum Synthesegas und seiner Kreislaufführung gehören, in der Aufheizphase außer Betrieb bleiben.

Kurz vor Beendigung des Aufheizens kann man während des Einleitens des heißen Wassers oder des Wasserdampf-Wasser-Gemisches in den Reaktor Gas durch die Röhren leiten und im Kreislauf führen. Dieses Gas erwärmt sich dabei und transportiert Wärme auch in die vom Kreislauf erfaßten Vorrichtungsteile außerhalb des Reaktors.

Es kann vorteilhaft sein, für das im Kreislauf geführte Gas ein Inertgas/wie z.B. Stickstoff, zusammen mit Wasserstoff zu verwenden. Dadurch kann der in den Röhren befindliche Katalysator vor Beginn der Synthesereaktionen reduziert werden.

Dor aufzuheizende Röhrenreaktor kann der Synthese von Methanol aus einem Kohlenoxide und Wasserstoff enthaltenden Synthesegas dienen. Dieses Verfahren und auch ein Kupferkatalysator hierfür sind im deutschen Patent 1 930 702 und dem dazu korrespondierenden US-Patent 3 897 471 beschrieben.

Die Methanolsynthese erfolgt im Druckbereich von etwa 15 bis 100 bar bei Kühlwassertemperaturen von etwa 200 bis 300⁰C. Zum Anheizen des Röhrenreaktors führt man der Mischkammer Wasserdampf etwa im gesättigten Zustand von etwa 250 bis 350⁰C zu. Zu Beginn des Aufheizens kann dieser als Wärmeträger dienende Wasserdampf einen relativ niedrigen Druck aufweisen; mit steigender Temperatur im Kühlwasser und damit auch steinendem Druck muß der Wasserdampf schließlich mit etwa 30 biu 150 bar .in die Mischkammer gedrückt werden. Die Mindesttemperatur für die Methanolsynthese liegt etwa bei

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200 C. Für andere, im wassergekühlten Röhrenreaktor durchzuführende Umsetzungen ist die erfindungsgemäße Aufheizung selbstverständlich auch anwendbar. Die Aufheizbedingungen sind dann in ihren Einzelheiten bezüglich Druck und Temperatur an die Bedingungen dieser umsetzungen anzupassen.

Sollen bekannte Kupferkatalysatoren vor Beginn der Methanolsynthese durch im Kreislauf geführtes wasserstoffhaltiges Gas reduziert werden, empfehlen sich hierfür Temperaturen von etwa 60 bis 250⁰C. Auch bei der Reduktion des Katalysators wird Wärme frei. Es ist deshalb vorteilhaft, daß auch in diesem Stadium eine Wärmeabfuhr durch Kühlwasser erfolgt, um den Katalysator vor überhitzung zu schützen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung wird mit Hilfe der Zeichnung erläutert.

Der Röhrenreaktor 1 besitzt einen Druckmantel 2 und im Innern zahlreiche Röhren 3. Durch einen oberen Boden A und einen unteren Boden 5 ist der Reaktor in drei Abschnitte unterteilt. Der Verteilerraum 6 nimmt das von außen durch die Leitung 7 zugeführte Gas auf und verteilt es auf die Röhren 3. Die Röhren sind mit körnigem Katalysatormaterial gefüllt.

Das am unteren Ende der Röhren 3 austretende Produkt gelangt in den Sammelraum 8 und wird in der Produktleitung 9 abgezogen. Zwischen den Böden A und 5 befindet sich der Kühlbereich 10, der mit Kühlwasser gefüllt ist. Beim normalen Betrieb des Reaktors, wenn die in den Röhren 3 entstehende Wärme durch das Kühlwasser abgeführt wird, entweicht der gebildete Dampf durch die Steigleitung 11 zu einer Dampftrommel 12. Die Dampftrommel 12 ist zum Teil mit Wasser gefüllt, welches durch die Leitung 13, die Verteilerleitung 1£ und mehrere Stichleitungen 15 dem unteren Kühlbereich 10 zugeführt wird. Die Verteilerleitung 14

3:5 führt in einem horizontalen Ring um den Reaktor herum; in der

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Zeichnung sind hiervon nur die beiden seitlich erkennbaren Querschnitte dargestellt. Von der ringförmigen Verteilerleitung 14 führen z.B. zwei bis acht Stichleitungen 15 in den unteren Kühlbereich 10.

Als Wärmequelle für das Aufheizen des Innenbereichs des Reaktors und insbesondere des Kühlwassers und des Katalysators in den Röhren 3 dient unter Druck stehender Wasserdampf aus der Leitung 16. Dieser Wasserdampf wird zunächst zu einem Dampf-Strahlerhitzer 17 geführt. Diese an sich bekannte Vorrichtung arbeitet ähnlich wie eine Wasserstrahlpumpe, der eine Kammer zur Kondensation des Wasserdampfes nachgeschaltet ist. Durch den Unterdruck bei der Kondensation desJtfasserdampfes sowie auch die Ejektorwirkung des strömenden Wasserdampfs wird im Erhitzer 17 Kühlwasser aus der Leitung-tu angesaugt. Das erhitzte Wasser oder Wasserdampf-Wasser-Gemisch aus dem Erhitzer 17 strömt in clur Leitung 19 zur Verteiler-Kingleitung 14 und von dort über die Stichleitungen 15 in den unteren Kühlbereich 10 des Reaktors. Solange ein genügendes Temperaturgefälle zwischen dem Kühlwasser aus der Leitung 18 und dem Siedezustand des erhitzten Wassers in der Leitung 19 besteht, ist der gesamte Wasserdampf spätestens beim Eintritt in den Reaktor kondensiert. In der letzten Phase der Aufheizung ist dieses Temperaturgefälle so gering geworden, daß nicht mehr der gesamte Wasserdampf kondensiert wird und deshalb ein Wasserdampf-Wasser-Gemisch in den Reaktor eintritt.

Das durch das Aufheizmedium verdrängte Kühlwasser verläßt den Reaktor im oberen Kühlbereich durch die Leitung 18. Dadurch entsteht im Kühlbereich eine" von unten nach oben ziehende Strömung, überschüssiger nicht kondensierter Wasserdampf gelangt in der Leitung -| ι zur Dampftrommel 12. Zur einfachen Regelung der Aufheizgeschwindigkeit kann durch die Ableitung

über das druckregelnde Ventil 21 Wasserdampf abgeleitet werden. Überschüssiges Wasser zieht man über die Abschlämmleitung 22 ab Die Dampftrommel 12 und der Verteiler 14 sind durch eine oder mehrere Falleitungen 13 ständig verbunden.

Wenn auch ein Gas verwendet wird, kommt es aus der Leitung und wird durch die Leitung 7 in das Röhrensystem des Reaktors geleitet. Erwärmtes Gas tritt aus den Röhren 3 in den Sammelraum 8 und die Leitung 9 ein. Dieses Gas strömt durch verschiedene, hier nicht näher erläuterte Anlagenteile, wie z. B. einen Methanol-Abscheider 24. Durch das Gebläse 25 wird das Gas in der Leitung 26 im Kreislauf zurück zur Leitung 7 geführt. Bei dem Gas kann es sich um Inertgas, z.B. Stickstoff, oder auch um wasserstoff hai t iges Gas handeln., mit dam- dor in dc:n Höhron befindliche Katalysator reduziert wird. Werm* die Mheizphase beendet ist, wird Synthesegas durch die Leitungen 23 und 7 dem Katalysator zugeführt.

Es ist ersichtlich, daß sich der im Kühlbereich 10 einstellende Druck bei genügendem Druck des Wasserdampfs in der Leitung 16 durch das Ventil 21 regeln läßt. Für die Methanolsynthese ist es üblich, mit Kühlwassertemperaturen von etwa 200 bis 300⁰C und dementsprechend mit Drücken im Kühlbereich von 15 bis 100 bar zu arbeiten. Der Druck des Wasserdampfs in der Leitung 16 kann zu Beginn des Aufheizens auch niedriger als der später erreichte Arbeitsdruck im Kühlbereich liegen, er muß aber im Laufe: des AuCheizens einen höheren Wert a La. den Arbeitsdruck erreichen. In die Leitung 16 gibt man bevorzugt Wasserdampf im Sättigungszustand, damit der Wasserdampf mögliehst vollständig bereits im Strahlerhitzer 17 kondensiert.

COPY

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Beispiel :

Eine der Zeichnung entsprechende Anordnung wird auf die Betriebstemperatur von 230°C aufgeheizt. Der Kühlbereich 10 des Reaktors 1 ist mit Wasser von zunächst 20⁰C gefüllt. Der Reaktor 1 dient der Synthese von Methanol, er enthält 4 000 Röhren 3 mit einem bekannten Kupferkatalysator in einer Ge-

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aamtmenge von 37 m . Während des Aufheizens strömt Stickstoff durch die Röhren 3, der durch die Leitungen 7, 9 und 26 im Kreislauf gehalten wird. In der Leitung 16 wird Wasserdampf als Heizmedium zugeführt.

Zu Beginn des Aufheizens werden die mit A bezeichneten Werte der nachfolgenden Tabelle gemessen; mit B sind gegen Ende des Aufheizens gemessene Werte bezeichnet:

	A	Menge(kg/h)	Druck(bar)	Temperatur(⁰C)
Wasserdampf in Leitung 16	B	3 240	40	255
	A B	4 736	40	255
2ü Wasser in Leitung 18	A B	110 000 20 000	2,5 24,7	20 220
Heizmedium am Eingang zum Kühlbereich 10	A B	113 240 24 736	2,5 24,7	100 240
Stickstoff in Leitung 7 25	A B	50 000 50 000	10,3 10,3	20 210
Stickstoff in Leitung 9	50 000 50 000	10,0 10,0	40 230 .

Die Aufheizgeschwindigkeit beträgt etwa 25 C/h, das Ventil 21 bleibt geschlossen. Mit zunehmender Temperatur im Reaktor 1 steigt die Zufuhr an Heizmedium in der Leitung 16. Um das Wasserniveau in der Dampftrommel 12 konstant zu halten, wird überschüssiges Wasser aus der Leitung 22 abgeführt. Da3 lleizmedium am Eingang zum Kühlbereich 10 ist anfangs Wasser und gegen Ende des Aufheizens ein Wasserdampf-Wasser-Gemisch.

ORIGINAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche

1) Verfahren zum Aufheizen eines Röhrenreaktors mit Katalysator enthaltenden Röhren, die in einem Kühlbereich von Kühlwasser umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß man Wasserdampf mit überdruck in eine Mischkammer leitet, welcher man aur; dem oberen Kühlberelch verdrängtes Kühlwasser zuführt, und aus der Mischkammer erhitztes Wasser odor ein Wassurdanipf-Wasser-Gemisch in das Kühlwasser im unteren Kühlbereich drückt.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man überschüssigen Wasserdampf aus dem Reaktor in eine Wasser enthaltende Dampftrommel leitet, die eine Ableitung mit einem Regelventil aufweist.

3) Verfahren nach Anspruch^ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wasserdampf-Wasser-Gemisch aus der Mischkammer über eine Verteilerleitung und mehrere, zum Reaktor führende Anschluß Leitungen in den Reaktor drückt.

h) Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß man während des Einleitens des Wasserdampf-Wasser-Gemisches Gas durch die Röhren leitet und im Kreislauf führt.

5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das im Kreislauf geführte Gas Stickstoff ist.

6) Verfahren nach Anspruch A, dadurch gekennzeichnet, daß das im Kreislauf geführte Gas Wasserstoff enthält.

7) Vorrichtung zum Aufheizen eines Röhrenreaktors mit Katalysator enthaltenden Röhren, die in einem Kühlbereich von Kühlwasser umgeben sind, wobei der Reaktor Zu- und Ableitungen für Synthesegas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Mischkammer eine Wasserdampfleitung und eine mit dem oberen Kühlbereich des Reaktors verbundene Kühlwasserleitung führt und der Ausgang der Mischkammer mit dem unteren Kühlbereich verbunden ist.

8) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steigleitung vom oberen Kühlbereich zu einer Dampftrommel und von der Dampftrommel eine Falleitung zum unteren Kühlbereich führt.

9) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampftrommel eine Ableitung für Wasserdampf mit einem Druckregelventil aufweist.

10) Vorrichtung nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren des Reaktors einen Kupferkatalysator für die Methanolsynthese enthalten.