DE3217066C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen mit in dem Katalysatorbett verlaufenden Rohren zur Führung eines Wärme zu- oder abführenden Fluids, wobei die Rohre an ihren oberen und unteren Enden in Rohrsammlern zusammengefaßt sind und zumindest einer der Rohrsammler eine vom Reaktionsraum aus gesehen konvexe Krümmung aufweist.

Ein derartiger Reaktor dient zur Durchführung von exo- oder endothermen katalytischen Reaktionen, wie beispielsweise Methanolsynthese, Methanisierung oder Ammoniaksynthese. In dem Reaktorgehäuse ist eine Katalysatorschüttung eingebracht, in die die reagierenden Fluide eingeleitet werden. In Kontakt mit dem Katalysator findet eine Reaktion dieser Fluide zu dem Syntheseprodukt statt. Je nachdem, ob die ablaufende Reaktion endo- oder exotherm ist, muß während der Reaktion Wärme zu- oder abgeführt werden, damit die Reaktion überhaupt abläuft bzw. damit unerwünschte Nebenreaktionen unterdrückt werden. Die Wärmeübertragung erfolgt mit Hilfe eines Fluids, das durch in die Katalysatorschüttung eingebettete Rohre geführt ist. Am oberen und am unteren Ende des Reaktors sind die Rohre in Rohrsammlern zusammengefaßt, über die das Fluid zu- und abgeführt wird. Die Rohrsammler dienen zugleich auch als Auflagefläche für die Katalysatorschüttung.

Von Zeit zu Zeit muß bei einem derartigen Reaktor der Betrieb unterbrochen werden, nämlich, wenn die Katalysatoraktivität erschöpft ist. Dann wird der verbrauchte Katalysator aus dem Gehäuse entnommen und durch frischen Katalysator ersetzt. Die Entnahme des verbrauchten Katalysators ist jedoch unter Umständen mit Schwierigkeiten verbunden. Zwar sind die Öffnungen, die für das Entleeren vorgesehen sind, theoretisch groß genug, um ein reibungsloses Ausfließen des Katalysators zu ermöglichen, in der Praxis erweisen sich die Kühlrohre in der Nähe der Entleerungsöffnungen für das Entleeren jedoch als hinderlich. Aus konstruktiven Gründen müssen die Rohre relativ dicht liegen - der Rohrabstand liegt unter Umständen in derselben Größenordnung wie der Durchmesser der Katalysatorteilchen oder allenfalls eine Größenordnung darüber. Werden nun die Entleerungsöffnungen am Reaktorgehäuse geöffnet, so werden zwar zunächst die in der Nähe der Öffnung befindlichen Teilchen der Schüttung ausfließen und die Schüttung von oben nachsacken. Aufgrund der engen Rohrabstände verklemmen sich jedoch die nachrutschenden Katalysatorteilchen im Bereich der Entleerungsöffnung, so daß insbesondere die weiter innen im Reaktor gelegenen Katalysatorteilchen nicht von selbst ausfließen können. Aus diesem Grund muß zur vollständigen Entleerung des Reaktors ständig mechanisch oder manuell nachgeholfen werden. Dadurch ist der Entleerungsvorgang arbeitsintensiv und nimmt viel Zeit in Anspruch.

Durch die DE-OS 30 12 476 sowie die US-PS 26 64 346 sind bereits Reaktoren zur Durchführung katalytischer Reaktionen der genannten Art bekanntgeworden, die in das Katalysatorbett eingebettete Kühlrohre aufweisen. Die Enden der Kühlrohre sind in Rohrsammlern zusammengefaßt, die entweder als über den Querschnitt des Katalysatorbettes verteilt angeordnete kugelförmige Sammelräume oder als rohrförmige, ringförmig um die Längsachse des Reaktors verlaufende Sammelräume ausgebildet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem ein rasches führungsfreies Entleeren der Katalysatorschüttung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Scheitelpunkte der Rohrsammler in der Längsachse des Reaktors angeordnet sind und die Enden der Rohre auf Meridianlinien durch den Scheitelpunkt der Rohrsammler in die Rohrsammler münden.

Erfindungsgemäß weist der untere Rohrsammler eine von der Mitte des Reaktors nach außen hin abfallende Oberfläche auf. Die Rohrenden liegen, in senkrechter Projektion betrachtet, in sternförmiger Anordnung, d.h. der Abstand zwischen benachbarten Rohren mit demselben radialen Abstand von der Reaktor-Mittelachse wird zur Reaktoraußenwand hin größer. Mit dieser Maßnahme wird das Ausfließen der Katalysatorschüttung erleichtert. Die Auslaßöffnung für die Katalysatorschüttung befindet sich in Höhe des tiefsten Punktes des Rohrsammlers oder darunter. Der Katalysator fließt beim Entleeren des Reaktors auf der nach außen abfallenden Oberfläche des Rohrsammlers zur Auslaßöffnung ab, so daß ein Aufstauen der Katalysatorteilchen vermieden wird. Es lassen sich somit die Ausfallzeiten beim Auswechseln des Katalysators verringern. Ein weiterer Vorteil, der sich durch den Erfindungsgegenstand ergibt, ist die hohe Druckfestigkeit des gekrümmten Rohrsammlers. Umgekehrt läßt sich der Rohrsammler bei gleicher Druckstabilität dünner und damit preisgünstiger herstellen. Überdies läßt sich durch den Erfindungsgegenstand eine besonders gleichmäßige Verteilung des Fluids auf die einzelnen Rohre erreichen.

Mit Vorteil weisen die Rohrsammler zumindest annähernd eine Teilkugelfläche auf. Vorzugsweise sind die Rohrsammler halbkugelförmig ausgebildet.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegen­ standes ist auf den unteren Rohrsammler im Bereich seines Scheitelpunktes eine kegelförmige Kalotte aufgesetzt. Der Kegelöffnungswinkel gegen die Kegelachse beträgt maximal 50°. Diese Anordnung begünstigt das Abrutschen des Kataly­ sators beim Entleeren in dem Bereich, in dem die Oberfläche des Rohrsammlers relativ flach ist.

In Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird vorge­ schlagen, daß der obere Rohrsammler als unterer Boden einer in den Reaktor integrierten Dampftrommel ausgebil­ det ist.

Diese Anordnung ist immer dann sinnvoll, wenn das in den Rohren strömende Fluid in dem Reaktor teilweise verdampft. Üblicherweise wird der Dampf von dem nicht verdampfenden Anteil des Fluids abgetrennt und die verbleibende Flüssig­ keit erneut dem Speisefluid zugeführt. Die Dampfabtrennung erfolgte bisher in einer von dem Reaktor getrennten Dampf­ trommel. Dies brachte den Nachteil mit sich, daß die Dampf­ trommel je nach dem auftretenden Druck relativ aufwendig gebaut sein mußte. Der untere Boden der Dampftrommel ist nunmehr zugleich Teil des ohnehin vorhandenen Rohrsammlers, so daß hier Material eingespart wird. Als weiterer Vor­ teil entfallen die bisher erforderlichen Verbindungslei­ tungen zwischen dem Reaktor und der Dampftrommel. Betriebs­ instabilitäten aufgrund von Phasentrennungen in den Zufüh­ rungsleitungen entfallen somit. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes nimmt in den Rohr­ sammlern der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Öffnun­ gen für die Rohrenden vom Scheitelpunkt zum äußeren Rand der Rohrsammler vom mindestens 1,5-fachen bis zum maximalen 15-fachen der Katalysator-Korngröße zu. Diese Werte haben sich hinsichtlich des Entleerungsvorganges als besonders vor­ teilhaft erwiesen.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung wer­ den anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbei­ spiels erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors,

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Rohrsammler in Drauf­ sicht.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Reaktor zur Durchfüh­ rung einer Methanolsynthese. Der Reaktor besitzt ein Ge­ häuse 1, das einen Reaktionsraum 7 umschließt, in dem sich eine Schüttung von Katalysatorteilchen befindet, die bei Bezugsziffer 2 angedeutet ist. In der Schüttung sind zur Abführung der Reaktionswärme Kühlrohre 3 eingebettet, die, je nach Bedarf, geradlinig in axialer Richtung verlaufen oder, wie im gezeigten Beispiel, um ein Kernrohr 4 gewickelt sind. Die Enden der Rohre 3 sind in Rohrsammlern 5, 6 zusam­ mengefaßt. Die Rohrsammler 5, 6 sind vom Reaktionsraum 7 aus gesehen, konvex gekrümmt. Der untere Rohrsammler 5 dient zugleich als Auflage für die Schüttung.

Im Bereich seines Scheitelpunktes ist auf den unteren Rohrsammler 5 eine kegelförmige Kalotte 18 aufgesetzt, deren oberes Ende dicht am Kernrohr 4 anliegt. Die Rohre 3 sind unterhalb der Kalotte 18 in den Rohrsammler 5 geführt. Die Kalotte 18 erhöht die Neigung der Schüttungsauflage im Mittelbereich des Reaktors, so daß die Schüttung leichter ablaufen kann.

Unterhalb des unteren Randes des unteren Rohrsammlers 5 befindet sich eine Auslaßöffnung 8 in der Wand des Gehäuses 1, die beim Betrieb des Reaktors verschlossen ist und zum Entleeren der Schüttung geöffnet wird. Selbstverständlich können zusätzlich zu der dargestellten Auslaßöffnung 8 mehrere über den Umfang des Reaktors verteilt angeordnete Auslaßöffnungen vorgesehen sein.

Ein Gitterrost 14 verbindet den unteren Rand der Auslaß­ öffnung 8 mit dem unteren Rand des Rohrsammlers 5, um zu verhindern, daß Teilchen der Schüttung bis unter die Aus­ laßöffnung 8 gelangen. Der Gitterrost 14 ist entbehrlich, wenn der Rohrsammler 5 bis unmittelbar an die Wand des Ge­ häuses 1 reicht.

Der Reaktionsraum 7 weist eine Zuführungsöffnung 15 und eine Abführungsöffnung 16 für Synthesegas auf. Die Abfüh­ rungsöffnung 16 ist mit einem Sieb 17 versehen, um ein Aus­ fließen des Katalysators zu verhindern.

Der durch den unteren Rohrsammler 5 gebildete Sammelraum 9 steht mit einer Zuführung 10 für Speisewasser in Verbindung. Das Speisewasser wird über den Sammelraum 9 auf die Rohre 3 verteilt. Die oberen Enden der Rohre 3 sind in dem oberen Rohrsammler 6 zusammengefaßt, der gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal zugleich als unterer Boden einer Dampf­ trommel 11 ausgebildet ist, die in das Gehäuse 1 des Reak­ tors integriert ist.

Das Speisewasser wird beim Durchströmen der Rohre 3 durch die aufgenommene Reaktionswärme teilweise verdampft. In der Dampftrommel 11 werden die flüssigen und gasförmigen Phasenan­ teile voneinander getrennt. Die Dampftrommel 11 weist einen Stutzen 12 an ihrem oberen Ende zur Dampfentnahme und eine Entnahmeleitung 13 für nichtverdampftes Wasser auf, das in die Speisewasserleitung 10 zurückgeführt wird.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Rohrsammler in Drauf­ sicht. Hierbei sind analoge Bauteile mit denselben Bezugs­ zeichen wie in Fig. 1 versehen. Es ist erkennbar, daß die für die Befestigung der Rohrenden vorgesehenen Öffnungen 19 auf Meridianlinien durch den Scheitelpunkt des Rohrsamm­ lers 5 liegen. Aufgrund dieser Anordnung vergrößern sich die Abstände a zwischen nebeneinander liegenden Rohren 3, d.h. Rohren mit im wesentlichen in denselben radialen Ab­ stand von der Reaktor-Mittelachse, mit wachsendem Abstand vom Scheitelpunkt, so daß sich für die Teilchen der Schüt­ tung, die auf dem Rohrsammler 5 ruhen, zur Auslaßöffnung hin breiter werdende "Straßen" ergeben, die ein zügiges Entleeren des Reaktors ermöglichen. Der Abstand a beträgt an der engsten Stelle (in der Nähe des Scheitelpunktes) mindestens das 1,5-fache und an der weitesten Stelle (in der Nähe des unteren Randes des Rohrsammlers 5) maximal das 15-fache des Durchmessers eines Katalysatorteilchens.

Claims (4)

1. Reaktor zur Durchführung katalytischer Reaktionen mit in dem Katalysatorbett verlaufenden Rohren zur Führung eines Wärme zu- oder abführenden Fluids, wobei die Rohre an ihren oberen und unteren Enden in Rohrsammlern zusammengefaßt sind und zumindest einer der Rohrsammler eine vom Reaktionsraum aus gesehen konvexe Krümmung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitelpunkte der Rohrsammler (5, 6) in der Längsachse des Reaktors angeordnet sind und die Enden der Rohre (3) auf Meridianlinien durch den Scheitelpunkt der Rohrsammler (5, 6) in die Rohrsammler (5, 6) münden.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den unteren Rohrsammler (5) im Bereich seines Scheitelpunktes eine kegelförmige Kalotte (18) aufgesetzt ist.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Rohrsammler (6) als unterer Boden einer in den Reaktor integrierten Dampftrommel (11) ausgebildet ist.

4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rohrsammlern (5, 6) der Abstand (a) zwischen nebeneinanderliegenden Öffnungen (19) für die Rohrenden vom Scheitelpunkt zum äußeren Rand der Rohrsammler (5, 6) vom mindestens 1,5-fachen bis zum maximal 15-fachen der Katalysator-Korngröße zunimmt.