DE3146778C3 - Reaktor zur Durchführung heterogener katalytischer Gasreaktionen - Google Patents

Reaktor zur Durchführung heterogener katalytischer Gasreaktionen

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Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung heterogener katalytischer Gasreaktionen, insbesondere zur katalytischen Synthese von Ammoniak, Methanol, höheren Alkoholen und polymerisierbaren Monomeren, gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Ein derartiger Reaktor ist bereits aus der DE-OS 30 26 199 bekannt. Die Katalysatorbetten sind nach oben hin völlig offen und werden seitlich von zwei zylindrischen und zu­ einander konzentrischen Wänden begrenzt. Die äußere zylin­ drische Wand ist ganz mit Löchern durchsetzt, während die innere Wand im wesentlichen aus zwei Abschnitten besteht, nämlich einem unteren perforierten Abschnitt und einem oberen massiven, und damit gasundurchlässigen Abschnitt, welcher von der Außenwand der zentral durch das Innere des Reaktors führenden Gasleitung gebildet wird. Bei diesem vor­ bekannten Reaktor ist ferner zwischen der inneren Wand des Katalysatorbetts und dem zentral angeordneten Wärmetauscher koaxial ein ringförmiger Luftraum zum Sammeln des Reaktions­ gases nach Durchströmen des Katalysatorbetts vorgesehen. Dieser Luftraum wird nach außen hin von dem unteren per­ forierten Abschnitt der inneren zylindrischen Wand des Katalysatorbetts und nach innen hin von einer zusätzlichen, in geringem Abstand koaxial um den zentralen Wärmetauscher angeordneten massiven Wand umgrenzt. Das obere Ende dieses Luftraums steht mit dem Wärmetauscher in Verbindung.
Aus der DE-AS 21 26 211 ist ein Reaktor bekannt, dessen Katalysatorschichten von gasundurchlässigen Behälterböden und -deckeln begrenzt sind. Zwischen zwei übereinanderliegen­ den Katalysatorlagen sind Zwischenwärmetauscher angeordnet.
Der Reaktor gemäß DE-PS 27 10 247 weist Katalysatorbetten auf, welche sich zwischen einer inneren und einer äußeren konzen­ trischen, durchbrochenen Wand und zwei gegenüberliegenden Katalysatorplatten befinden. Zentral zu einem Katalysatorbett ist ein Gas-Gas-Wärmetauscher angeordnet. Diese beiden Wärme­ tauscher werden lediglich durch ein kurzes Verbindungsrohr miteinander verbunden.
Mit der DE-PS 17 67 230 ist weiter ein Gasreaktor bekannt ge­ worden, bei dem innerhalb eines äußeren Mantels ein innerer Einsatz vorgesehen ist, welcher mehrere Katalysatorbetten auf­ nimmt. Auch hier sind mindestens zwei Gas-Gas-Wärmetauscher in einem Raum angeordnet, der von einem Katalysatorbett um­ geben ist. Das aufzuheizende Prozeßgas wird in Teilströmen durch die Wärmetauscher geleitet.
Die DE-OS 23 20 083 zeigt und beschreibt einen Wärmetauscher.
Darüber hinaus ist aus der US-PS 41 80 543 ein Reaktor für die Ammoniaksynthese mit einem Wärmetauscher bekannt, welcher zwischen zwei Katalysatorbetten angeordnet ist.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines Gas­ reaktors zur Durchführung heterogener katalytischer Gas­ reaktionen, welcher sich durch einen verbesserten Wirkungs­ grad auszeichnet und bei dem die Steuerung der Gastemperatur innerhalb des Reaktorgehäuses äußerst wirksam, flexibel und zuverlässig geschehen kann. Der Reaktor sollte sich ferner durch einen möglichst einfachen konstruktiven Aufbau aus­ zeichnen.
Bei der Lösung dieser technischen Aufgabe wird ausgegangen von einem Reaktor der eingangs erwähnten Art; gelöst wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­ spruchs 1.
Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Gasreaktor strömt das zu verarbeitende Prozeßgas unten in das Reaktorgehäuse ein. Es strömt zwischen äußerem Mantel und innerem Einsatz nach oben und gelangt von dort in die zentral und axial entlang der gesamten Länge des Wärmetauschers angeordnete Sammelleitung. Nach Durchströmung dieser Sammelleitung in Abwärtsrichtung wird das Prozeßgas mittels einer am unteren Ende des Wärme­ tauschers vorgesehenen Abdeckung umgelenkt, so daß es nun in entgegengesetzter Strömungsrichtung, also nach oben durch den Wärmetauscher strömt. Am oberen Ende des Wärmetauschers angelangt, wird das so vorerhitzte Prozeßgas durch das den Wärmetauscher koaxial umgebende Katalysatorbett geleitet, welches es in einer oberen Zone mit vorwiegend axialer Strömungsrichtung und in der darunter befindlichen zweiten Zone mit vorwiegend radialer Strömungsrichtung durchströmt. Anschließend sammelt sich das Reaktionsgas in dem koaxialen ringförmigen Gasraum zwischen innerer Wand des Katalysator­ betts und zentralem Wärmetauscher, strömt darin nach oben und wird von da entlang den Außenseiten der Rohre des Wärme­ tauschers nach unten geleitet. Dabei findet ein Wärmeaus­ tausch zwischen dem durch die katalytische Umwandlung inner­ halb des Katalysatorbetts erhitzten Reaktionsgas und dem in Gegenrichtung nach oben innerhalb der Rohre des Wärme­ tauschers strömenden frischen Prozeßgas statt. Durch ringförmige Auslässe zwischen der Abdeckung und der inneren Begrenzungs­ wand des ringförmigen Luftraums zwischen innerer Wand des Katalysatorbetts und Wärmetauscher tritt das Reaktionsgas in eine unterhalb des Katalysatorbetts liegende freie Zone aus. Es kann nun in das nächste Katalysatorbett einströmen.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Gasreaktor verfügt über ein System zur Steuerung der Gastemperatur, welches sich als äußerst wirksam, flexibel und zuverlässig erwiesen hat. Dies ist wichtig, um optimale Prozeßbedingungen zu erreichen. Aufgrund des streng koaxialen Aufbaus wird das zur Ver­ fügung stehende Volumen optimal ausgenutzt. Der Reaktor ist in konstruktiver Hinsicht einfach und zeichnet sich durch einen äußerst hohen Wirkungsgrad aus.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der innere Einsatz von zwei übereinander gestapelten Moduleinsätzen gebildet, die jeweils ein Katalysatorbett enthalten, wobei der Moduleinsatz, der das dem Wärmetauscher zugeordnete Kataly­ satorbett enthält, oberhalb des ande­ ren Moduleinsatzes angeordnet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an­ hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Reaktor in einem Längsschnitt entlang der Mittelachse.
Das Reaktorgehäuse wird von einem äußeren Mantel M gebildet. Dieser äußere Mantel M enthält einen inneren Einsatz, welcher aus zwei übereinandergestapelten Moduleinsätzen CU1, CU2 besteht. Jeder Modulein­ satz CU1, CU2 hat eine Außenwand To, To2, an welche einstückig ein Boden FO sowie ein Deckel CO angeformt ist. Innerhalb der Außenwand To des oberen Modul­ einsatzes CU1 befindet sich eine äußere zylindrische Wand T1, die auf ihrer gesamten axialen Länge von Löchern durchsetzt ist, sowie eine hierzu koaxiale, innere zylindrische Wand T2, die in ihrem unteren Teilabschnitt ebenfalls von Löchern durchsetzt ist, jedoch oben einen lochfreien massiven Ab­ schnitt T′2 aufweist. Die beiden zylindrischen Wände T1 und T2 begrenzen zusammen mit dem Boden FO ein Katalysatorbett C1, welches von granuliertem Katalysator gebildet wird.
Der untere Moduleinsatz CU2 besitzt in gleicher Weise einen Boden FO′, eine vollständig mit Löchern durchsetzte äußere zylindrische Wand T1.2 und eine innere zylindrische Wand T2.2 mit einem oberen massiven Abschnitt T′2.2. Zwischen der Innenwand des Deckels CO und der nach oben hin offenen Ober­ seite des Katalysatorbetts C1 befindet sich eine freie Zone Z1. Ebenso befindet sich eine freie Zone Z2 zwischen dem Boden FO des oberen Katalysatorbetts C1 und der freien Oberseite des unteren Katalysatorbetts C2. Aufgrund der abdichtenden Wirkung der gasdichten Abschnitte T′2, T′2.2 wird in jedem der Katalysatorbetten C1, C2 eine obere Zone Z1a, Z2a mit vorherrschend axialer Durchströmungsrichtung und eine untere Zone Z1b, Z2b mit vorherrschend radialer Durchströmungsrichtung gebildet.
Zentral und axial zum oberen Katalysatorbett C1 ist ein Gas/Gas-Wärmetauscher zur Vorerhitzung des frischen Prozeß­ gases angeordnet. Eine Leitung 15 zum Sammeln und Leiten des frischen Prozeßgases erstreckt sich zentral und axial entlang der gesamten Länge des Wärmetauschers HE. An seinem unteren Ende weist der Wärmetauscher HE eine Abdeckung 10 zur Umlenkung des Prozeßgases in die gegenüber der Leitung 15 entgegen­ gesetzte Strömungsrichtung auf. Zwischen der inneren zylin­ drischen Wand T2 des Katalysatorbetts C1 und dem zentralen Wärmetauscher HE ist ferner ein koaxialer ringförmiger Gasraum 21 zum Sammeln des Reaktionsgases nach Durchströmen des Katalysatorbetts C1 vorgesehen, welcher an seinem oberen Ende mit dem Wärmetauscher HE in Verbindung steht.
Durch einen Einlaß IG im unteren Teil des äußeren Mantels M tritt kaltes Prozeßgas ins Innere des Reaktorgehäuses ein und strömt vom Boden nach oben längs des durch Pfeile F1 angedeuteten Wegs durch einen Gasraum I zwischen den Außenwänden To, To2 der Moduleinsätze CU1, CU2 und der inneren Wand des äußeren Mantels M, welcher auf diese Weise gekühlt wird. An der Oberseite des Reaktors angelangt, wird dieser Hauptstrom zentral zur Leitung 15 geleitet und strömt so durch das Zentrum des Wärmetauschers HE nach unten. Am unteren Ende des zentralen und axialen Wärmetauschers HE trifft das Prozeßgas auf die Abdeckung 10, so daß es gezwungen wird, nun in umgekehrter Richtung nach oben in den Rohren U des Wärmeaustauschers HE zu strömen. Als vorgewärmtes Gas F1p verläßt das Prozeßgas den Wärmetauscher HE und gelangt in die freie Zone Z1 über dem Katalysatorbett C1. In diese freie Zone Z1 unterhalb des Deckels CO des Moduleinsatzes CU1 mündet eine Leitung 8, die von einem Strom frischen Austausch­ gases EGI durchflossen ist. Die Leitung 8 endet mit einem ringförmigen Auslaß 9 oberhalb des Wärmetauschers HE und läßt frisches Gas Fe in die freie Zone Z1 strömen, welches sich dabei mit dem bereits vorgewärmten Gas F1p vermischt. Innerhalb der Zone Z1 befindet sich somit ein Gasgemisch F2 = F1p + Fe, das nun zuerst durch die obere Zone Z1a des Katalysatorbetts C1 in axialer Richtung und durch die Zone Z1b in vorherrschend radialer Richtung strömt, um sich anschließend im Gasraum 21 jenseits der inneren zylindrischen Wand T2 zu sammeln. Das Gas F3 inner­ halb des Gasraums 21 ist infolge der Durchströmung des Katalysatorbetts C1 bereits teilweise katalytisch umge­ wandelt und somit erhitzt; es sammelt sich in einem Bereich 22 oberhalb des Gasraums 21 und wird von dort um die Außenseiten der Rohre U des Wärmetauschers HE herum nach unten geleitet, was durch halbkreisförmige Pfeile F4 veranschaulicht wird. Dabei wird Wärme auf den in entgegen­ gesetzter Richtung durch die Leitung 15 strömenden Haupt­ gasstrom F1 abgegeben, welcher somit vorerwärmt wird.
Durch die ringförmigen Auslässe 18 zwischen Abdeckung 10 und innerer Begrenzungswand des ringförmigen Gasraums 21 strömt das teilweise katalytisch umgewandelte Gas gemäß F4 in die freie Zone Z2 über dem zweiten Katalysatorbett C2. Auch das zweite Katalysatorbett C2 wird in einer oberen Zone Z2a axial und in der darunterliegenden zweiten Zone Z2b radial durchströmt. Als Gasstrom F5 sammelt sich das Gas an­ schließend in einem zentralen Gasraum innerhalb des Katalysatorbetts C2 und verläßt über ein Rohr T5 und einen Gasauslaß GO das Innere des Reaktors.
Zur flexiblen und wirksamen Steuerung der Gastemperatur innerhalb des Reaktors läßt sich der Strom des über den Ringauslaß 9 zugeführten Austauschgases EGI bzw. Fe so einstellen, daß die Temperatur des Gasgemischs F2 stets optimal ist.

Claims (4)

1. Reaktor zur Durchführung heterogener katalytischer Gas­ reaktionen, insbesondere zur katalytischen Synthese von Ammoniak, Methanol, höheren Alkoholen und polymerisierbaren Monomeren, mit
  • - einem das Reaktorgehäuse bildenden äußeren Mantel,
  • - einem inneren Einsatz mit massiver Wand,
  • - einem Gasraum zwischen äußerem Mantel und innerem Einsatz,
  • - wenigstens zwei oben offenen Katalysatorbetten, jeweils gebildet von einem Boden und zwei konzentrischen zylin­ drischen Wänden, zwischen denen sich ein Katalysator­ granulat befindet, wobei die äußere zylindrische Wand ganz und die innere Wand zumindest auf einem Teilabschnitt mit Löchern durchsetzt ist,
  • - je einer freien Zone über den Katalysatorbetten,
  • - wenigstens einem Einlaß für frisches Prozeßgas und Auslaß zum Abführen des Reaktionsgases,
  • - einem zentral und axial zu einem Katalysatorbett ange­ ordneten Gas/Gas-Wärmetauscher zur Vorerhitzung des frischen Prozeßgases,
  • - einer Leitung zum Sammeln und Leiten des frischen Prozeß­ gases zum einen Ende des Wärmetauschers und
  • - einem koaxialen ringförmigen Gasraum zwischen innerer Wand des Katalysatorbettes und zentralem Wärmetauscher zum Sammeln des Reaktionsgases nach Durchströmen des Katalysatorbetts, welcher an seinem einen Ende mit dem Wärmetauscher in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Leitung (15) zum Sammeln und Leiten des frischen Prozeßgases zentral und axial entlang der gesamten Länge des Wärmetauschers (HE) angeordnet ist,
  • - der Wärmetauscher (HE) an seinem unteren Ende mit einer Abdeckung (10) zur Umlenkung des Prozeßgases in die gegenüber der Leitung (15) entgegengesetzte Strömungs­ richtung durch die Wärmetauscherrohre versehen ist, und
  • - der Wärmetauscher (HE) an seinem unteren Ende außerdem Auslässe (18) zum nächsten Katalysatorbett (C2) aufweist, die zwischen der Abdeckung (10) und der inneren Begrenzungswand des ringförmigen Gasraums (21) angeordnet sind.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auslässe (18) des Wärmetauschers (HE) in die freie Zone (Z2) zwischen dem Katalysatorbett (C1) und dem nächsten Katalysatorbett (C2) münden.
3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Einsatz von zwei übereinander gestapelten Modulein­ sätzen (CU1, CU2) gebildet wird, die jeweils ein Katalysa­ torbett (C1, C2) enthalten, wobei der Moduleinsatz (CU1), der das dem Wärmetauscher (HE) zugeordnete Katalysatorbett (C1) enthält, oberhalb des anderen Moduleinsatzes (CU2) angeordnet ist.
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