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Katalysatoranordnung aus vielen geordneten Katalysator-
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Trägerkörpern Die vorliegende Erfindung betrifft eine Katalysatoranordnung
nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Bei vielen chemischen Verfahren ist es
üblich, Katalysatoren zu verwenden, welche vorzugsweise auf Trägerkörpern mit einer
möglichst großen Oberfläche im Reaktionsbereich angeordnet werden. In vielen Fällen
ist dabei im Reaktionsbereich eine hohe Temperatur zu beherrschen, so z.B. bei der
Kohlevergasung und Methanspaltung. In solchen Fällen verwendet man oft keramische
Trägerkörper, welche mit dem Katalysatormaterial beschichtet bzw. aus einer geeigneten
Mischung, die schon Katalysatormaterial enthält, hergestellt sind. So sind Schüttungen
aus sogenannten Raschig-Ringen bekannt, durch welche ein Fluid hindurchgeleitet
wird. Raschig-Ringe sind kleine hohlzylindrische Keramikkörper, welche eine hohe
Temperaturfestigkeit aufweisen und insbesondere in Verbindung mit nickelhaltigeij
Katalysatoren verwendet werden.
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Insbesondere bei der Kohlevergasung und der Methanspaltung, aber auch
bei anderen großchemischen Prozessen, werden wegen des hohen Durchsatzes an Reaktionsstoffen
sehr große Reaktionsvolumina benötigt, beispielsweise in der Form eines Röhrenspaltofens.
Die Bestückung eines großen, insbesondere sehr lang gestreckten Volumens, mit einem
Katalysatormaterial, welches zusätzlich für ein Fluid durchlässig sein soll, bereitet
verschiedene Schwierigkeiten.
Einerseits soll der Druckverlust im
Katalysatorträgermaterial nicht zu groß werden, andererseits muß das Katalysatormaterial
nach einer bestimmt ten Betriebszeit ausgetauscht werden können, was sich bei Keramikmaterial
als Katalysator-Trägerkörper als schwierig erweist. Wegen der Temperaturdehnungen
beim Betrieb des Röhrenspaltofens sackt eine Schüttung im Laufe des Betriebes nach
und wird im unteren Bereich stark verdichtet, wodurch sich ein Auswechseln der gegeneinander
verkanteten Katalysator-Trägerkörper nicht ohne Zusatzeinrichtungen bewerkstelligen
läßt.
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Als Alternative zu einer Schüttung wurden sogenannte Scheibenkatalysatoren
vorgeschlagen, welche auf ein Zentralrohr geschichtet werden und sich vergleichsweise
leicht auswechseln lassen. Um aber eine genügend große Oberfläche zu erreichen,
müssen die Scheiben eine komplizierte Struktur aufweisen, was bei thermischen Wechselbelastungen
und großen Temperaturgradienten zum Zerbrechen der Scheiben führen kann. Die Bruchstücke
wiederum erschweren ein Austauschen der Scheiben. Zusätzlich entstehen auch bei
Fragen des Druckverlustes, der wirksamen katalytischen Oberfläche und der Strömungsführung
einige Schwierigkeiten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Katalysatoranordnung,
welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere ein leichtes
Auswechseln nach der entsprechenden Betriebszeit ermöglicht. Zusätzlich soll die
Katalysatoranordnung für schon bestehende Reaktionsräume geeignet und ohne großen
zusätzlichen Aufwand herstellbar sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach dem Hauptanspruch
vorgeschlagen,
in einem von einem Fluid durchströmbaren Kanal, der als Reaktionsraum dient, viele
gleichartige Katalysator-Trägerkörper, insbesondere Raschig-Ringe, geordnet unterzubringen,
wobei die Ordnung durch Zusatzstrukturen bestimmt wird. Unter geordnet ist in diesem
Zusammenhang zu verstehen, daß die Katalysator-Trägerkörper nicht völlig ungeordnet
in den Reaktionsraum geschüttet werden, sondern mit einer bestimmten, beispielsweise
schichtweisen Unterstruktur, oder mit einer parallelen Ausrichtung aller gleichartigen
Körper. Bei dieser Art der Anordnung gibt es zunächst noch verschiedene Möglichkeiten
dafiir, welche Form die einzelnen kleinen Katalysator-Trägerkörper tatsächlich haben,
jedoch bieten sich die bewährten hohlzylinderförmigen Raschig-Ringe auch für die
erfindungsgemäße Ausführung an.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 2 vorgeschlagen,
daß die die Ordnung bestimmenden Zusatzstrukturen Schichten aus durchbrochenem Blech
oder Drahtgewebe sind. Drahtgewebe oder durchbrochenes Blech stellen keinen besonders
hohen Strömungswiderstand dar und unterstützen sogar die Verwirbelung des Fluids.
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Durch die Unterteilung der Katalysator-Trägerkörper in verschiedene
durch solche Zusatzstrukturen getrennte Schichten lassen sich aber schon die Schwierigkeiten
beim Auswechseln des Katalysatormaterials vermeiden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 3 vorgeschlagen,
daß die Zusatzstrukturen jeweils eine Schicht von Katalysator-Trägerkörpern ganz
oder teilweise käfigartig umgeben sollen. Diese Ausführungsform ermöglicht, daß
die einzelnen Schichten aus Katalysator-Trägerkörpern vorgefertigt und nacheinander
in
den Reaktionsraum eingesetzt werden können, wobei die käfigartige
Form ein späteres Auswechseln erheblich erleichtert.
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In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 4 vorgeschlagen,
daß die Katalysator-Trägerkörper Raschig-Ringe sind, welche jeweils einlagig dicht
nebeneinander auf den Zusatzstrukturen angeordnet sind, vorzugsweise mit einer Ausrichtung
ihrer Bohrung in Strömungsrichtung des Fluids, wobei viele dieser einlagigen Anordnungen
übereinander geschichtet sind. Diese Ausführungsform steht in ihrer katalytischen
Wirkung denen einer bewährten Schüttung aus Raschig-Ringen nicht nach, ermöglicht
jedoch eine einfachere Handhabung beim Auswechseln des Katalysator-Materials. Zusätzlich
bietet sich bei der Ausrichtung aller Raschig-Ringe in Strömungsrichtung noch der
Vorteil, daß die Innenbohrung größer sein kann als bei in einer Schüttung verwendeten
Raschig-Ringen. In einer Schüttung müssen die Ringe eine gewisse Festigkeit aufweisen,
damit sie nicht zerdrückt werden1 insbesondere bei sehr hohen Schüttungen. Bei ausgerichteten
aufrechtstehenden Raschig-Ringen ist die Tragfähigkeit abc awch bei sehr dünnwandigen
Ausführungen ausreichend, um das Zerbrechen einzelner Raschig-Ringe zu vermeiden.
Durch eine vergrößerte Innenbohrung wird gleichzeitig die wirksame Oberfläche vergrößert
und der Druckverlust verringert. Überhaupt lassen sich bei dieser Anordnung die
Maße der Raschig-Ringe in erheblichem Maße den jeweiligen Gegebenheiten anpassen,
ohne daß Rücksicht auf Festigkeitsprobleme genommen werden muß.
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Für die bis jetzt beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungen ist
die Form des Reaktionsraumes nicht
näher festgeleqt. Erfindungsgemäße
Katalysatoranordnungen können für die meisten Reaktionsräume angepaßt werden. Im
Anspruch 5 wird eine spezielle Ausgestaltung für einen Röhrenspaltofen beschrieben,
welcher als Besonderheit ein Mittelrohr aufweist, um welchen der Reaktionsraum konzentrisch
als Ringraum angeordnet ist. In diesem Falle muß die Zwischenstruktur entsprechend
der Form des Ringraumes gestaltet sein. Es wird insbesondere vorgeschlagen, die
Zwischenstrukturen als umgebördelten, durchbrochenen Blechen oder Drahtgeweben herzustellen,
wobei die Umbördelungen im Außenbereich und die Umbördelungen im Bereich des zentralen
Rohres so gestaltet sind, daß sie zwar an den Rohrwänden mit geringem Spiel anliegen,
jedoch ein Herausziehen der Zusatzstrukturen mit Katalysator-Trägerkörpern zumindest
nach einer Seite ohne Verkanten möglich ist. E ne so ausgestaltete Zwischenstruktur
kann mit den jeweiligen Schichten von Katalysator-Trägerkörpern einfach über das
zentrale Mittelrohr geschoben und in den Reaktionsraum eingebracht werden.
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In den Ansprüchen6, 7, 8, 9, 10 werden spezielle Ausgestaltungen der
Zusatzstruktur beschrieben, wie sie für eine erfindungsgemäße Katalysatoranordnung
besonders geeignet sind. Anhand der Zeichnung werden diese Ausgestaltungen mit Hilfe
von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert, Im Anspruch 11 wird eine alternative
Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Danach besteht die die Ordnung aufrecht
erhaltende Zusatzstruktur aus einem Drahtgeflecht, durch welches die Katalysator-Trägerkörper
untereinander verflochten sind. Diese Ausführung ist für Raschig-Ringe oder andere
durchbohrte Katalysator-Trägerkörper geeignet und bildet eine für einfache Anwen-
dungsfälle
ausreichende Möglichkeit der Unterstrukturierung der Katalysator-Trägerkörper. Miteinander
verflochtene Katalysator-Trägerkörper können spiralförmig auf Zwischenebenen angeordnet
oder spiral- und wendelförmig zum Auslegen eines Reaktionsraumes benutzt werden.
Die Verflechtung der Katalysator-Trägerkörper untereinander ermöglicht später beim
Auswechseln ein einfaches Herausziehen der ganzen Katalysator-Trägerkörper-Kette.
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Im Anspruch 12 wird eine weitere Möglichkeit der Unterstrukturierung
einer Katalysatoranordnung beschrieben.
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Dazu wird als Zusatzstruktur ein Käfig verwendet, der in Strömungsrichtung
des Fluids aufgespannte Drähte enthält, wobei die Katalysator-Trägerkörper auf und/oder
zwischen den Drähten angeordnet sind. Ein solcher Käfig bildet praktisch eine Katalysatorkartusche,
welche mit vielen anderen gleichartigen zur Ausfüllung eines Reaktionsraumes benutzt
werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und zwar zeigen Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Reaktionsraum seines Röhrenspaltofens,
Fig. 2 eine schematische Daraufsicht auf eine durch ein Drahtgeflecht gehaltene
einlagige Katalysatorschicht aus Raschig-Ringen, Fig. 3 einen Querschnitt durch
Fig. 2 entlang der Linie III-III, Fig. 4 einen Querschnitt durch eine geschlossene
käfigförmige Zusatzstruktur, Fig. 5 a - e mögliche Ausgestaltungen der Zusatzstruktur,
Fig. 6 einen an sich bekannten Raschig-Ring, Fig. 7 die prinzipielle Struktur einer
verflochtenen Kette aus Raschig-Ringen und
Fig. 8 eine Kartusche
mit durch Drähte ausgerichteten Raschig-Ringen.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Röhrenspaltofen,
wobei die Strömungsrichtung der Gase in den einzelnen Bereichen jeweils durch Pfeile
angedeutet ist. Bei dem gewählten Beispiel eines Röhrenspaltofens strömt heißes
Helium mit einer Temperatur von bis zu 9500 C an großen Rohren 9 aufwärts,in welchen
ein Reaktionsgas im Ringraum 10 abwärts strömt. In diesem Ringraum 10 sind Katalysator-Trägerkörper
angeordnet, welche die chemische Reaktion, beispielsweise die Methanspaltung unterstützen
sollen. Diese Katalysator-Trägerkörper 6, vorzugsweise Raschig-Ringe, sind in Zwischenstrukturen
1 aus Drahtgeflecht oder durchbrochenen Blechen gehaltert mit Umbördelungen 2 im
Aussenbereich und gegebenenfalls auch Umbördelungen 3 im Bereich eines zentralen
Innenrohres 8. Im Inneren 4 des zentralen Rohres 8 strömt das Produktgas wieder
aufwärts.
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Die schalen- bzw. käfigartigen Zwischenstrukturen 1 lassen sich wegen
ihrer Umbördelungen 2, 3 zumindest in einer Richtung leicht herausnehmen. Da das
Beschicken des Reaktionsraumes mit neuen Katalysatorträgern in der Regel umproblematisch
ist, wird man die Zwischenstrukturen vorzugsweise so einsetzen, daß die Umbördelung
beim Herausziehen später nachgeben kann und sich nicht verkantet.
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In Fig. 2 und 3 ist ein besonderes Ausführungsbeispiel für die mögliche
Gestaltung der Zwischenstruktur bei Verwendung von Raschig-Ringen als Katalysator-Trägerkörpern
beschrieben. Fig. 2 zeigt eine Daraufsicht und Fig.
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3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Zusatzstruktur mit
einer Schicht von Raschig-Ringen. Eine solche Zwischenstruktur kann auch aus zwei
oder mehr Segmenten bestehen, wodurch das Auswechseln noch leichter wird. Ein Draht-
gewebe
1, welches in seinen Umrissen denen des Reaktionsraumes entspricht, ist dicht mit
aufrechtstehenden Raschig-Ringen 6 besetzt. An den Außenseiten ist das Drahtgewebe
umgebördelt 2, wobei die Umbördelung auch noch um die Raschig-Ringe herumgezogen
sein kann, so daß sich ein mehr oder weniger geschlossener Käfig bildet. Jedenfalls
ist ein gewisses, die Oberseite der Raschig-Ringe bedeckendes Stück 5 des Drahtgeflechtes
in manchen Fällen von Vorteil. Im Inneren im Bereich des Zentralrohres 4 weist das
Drahtgewebe ebenfalls eine Umbördelung 3 auf, welche nach den jeweiligen Bedürfnissen
mehr oder weniger groß sein kann. Die Form der Zusatzstruktur kann überhaupt in
weiten Grenzen den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden, wie dies in Fig. 5
noch näher erläutert wird. Prinzipiell ist es möglich, mehrere der Zwischenstrukturen
untereinander, beispielsweise durch Punktschweißen, zu verbinden, so daß eine mehrschichtige
Kartusche aus Katalysator-Trägerkörpern entsteht.
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In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Zusatzstruktur
beschrieben, wobei hier durch geeignete Umbördelungen 5 bzw. 30 auf der Außenseite
bzw. Innenseite und durch ein zusätzliches Gitterbauteil 31 ein vollständiger Käfig
für die Raschig-Ringe gebildet wird.
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Statt eines Drahtgeflechtes ist auch die Verwendung von anderen vergleichbaren
Materialien, insbesondere eines durchbrochenen Bleches oder dergleichen möglich.
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In Fig. 5 a - e werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Zusatzstruktur
dargestellt, wobei diese nur zur Veranschaulichung der Vielfalt der Möglichkeiten
dienen und keineswegs eine abschließende Aufzählung darstellen. In Fig. 5 sind nur
die Umbördelungen im Außenbereich dargestellt, wobei selbstverständlich auch im
Bereich des zen-
tralen Innenrohres Umbördelungen vorgesehen werden
können und wobei jede Kombination der dargestellten Formen möglich ist. Fig. 5 a
zeigt eine Zusatzstruktur mit einer einfachen Umbördelung 2 an der Außenseite, welche
in ihrer Länge kleiner oder gleich der Höhe der Raschig-Ringe sein kann. Fig. 5
b zeigt eine Umbördelung 2 an der Außenseite, welche noch oberhalb der Schicht der
Katalysator-Trägerkörper weitergeführt 5 ist. In diesem Falle sollte die Höhe h
des entstehenden Käfigs gleich der Höhe der Raschig-Ringe sein. In Fig. 5 c ist
eine besondere Art 20 der Umbördelung der Zusatzstruktur dargestellt, welche bewirkt,
daß aus jeweils zwei benachbarten Zusatzstrukturen ein fast vollständiger Käfig
für eine Schicht von Katalysator-Trägerkörpern entsteht.
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Die Umbördelung kann dabei kleiner oder gleich der Höhe h der Katalysator-Trägerkörper
sein. Hier wäre auch denkbar, die Umbördelung etwas länger als die Höhe der Katalysator-Trägerkörper
auszuführen und die Zusatzstrukturen nach dem Füllen mit Katalysator-Trägerkörpern
ineinander zu stecken und zu Kartuschen zu verbinden. Fig.
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5 d zeigt die einfachste Möglichkeit der Ausgestaltung einer Zusatzstruktur,
nämlich ein entsprechend zugeschnittenes Drahtgewebe oder gelochtes Blech ohne jede
Umbördelung. Dies könnte insbesondere dann in Betracht kommen, wenn die Katalysator-Trägerkörper.
durch zusätzliche Maßnahmen, beispielsweise durch "Festnähen" mit einem Draht oder
dergleichen auf der Zusatzstruktur fixiert würden.
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Fig. 5 e zeigt beispielhaft die Möglichkeit, Abstandshalter 13 zwischen
den einzelnen Zusatzstrukturen vorzusehen. Je nach Dicke der Drahtgeflechte bzw.
gelochten Bleche und dergleichen kann es nötig sein zur genügenden Verwirbelung
des Fluids zwischen den einzelnen
Katalysator-Trägerkörper-Schichten
etwas Abstand zu halten. Dazu sind prinzipiell sehr viele verschiedene Möglichkeiten
denkbar. Eine Möglichkeit ist beispielsweise, einige etwas höhere Katalysator-Trägerkörper
in jeder Schicht vorzusehen, was allerdings zum "Klappern" der übrigen Körper führen
könnte. Besser ist es durch eine geeignete Zahl von Ausbauchungen oder noppen 13
in der Zusatzstruktur einen genügenden Abstand aufrecht zu erhalten. Die gleichmäßigste
Belastung aller Katalysator-Trägerkörper wird aber sicherlich durch Wahl eines genügend
dicken Drahtgeflechtes oder durch die geeignete Konstruktion eines Käfigs, beispielsweise
den in Fig.
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4, sichergestellt.
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Zur Veranschaulichung der Möglichkeiten, welche die Erfindung bietet,
ist in Fig. 6 nochmals ein einzelner Raschig-Ring 6 mit seiner zentralen Bohrung
7 dargestellt.
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Die entscheidenden Maße eines solchen Körpers sind seine Höhe h, der
Durchmesser seiner Innenbohrung und seine Wandstärke w. Die vorliegende Erfindung
biete die Möglichkeit, in ganz anderem Umfang als bei einer Schüttung diese Parameter
entsprechend den Anforderungen zu variieren. Die viel geringeren Anforderungen an
die Festigkeit der Raschig-Ringe ermöglichen eine Optimierung in Bezug auf Oberfläche
und Strömungswiderstand.
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In Fig. 7 wird eine andere Möglichkeit zur geordneten Einbringung
vieler Raschig-Ringe 6 schematisch dargestellt. Dazu werden die Raschig-Ringe 6
mit Hilfe von Drähten 11, 12 oder dergleichen, welche durch die Innenbohrung 7 geführt
werden, verflochten. Die entstehende Raschig-Ring-Kette kann zum Ausfüllen eines
Reaktionsraumes benutzt werden, wobei das Auswechseln so eingebrachter Raschig-Ringe
durch einfaches Herausziehen der
Kette wesentlich vereinfacht ist
gegenüber dem Entfernen einer Schüttung.
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In Fig. 8 wird eine weitere Möglichkeit zur erfindungsgemäßen geordneten
Einbringung von Katalysator-Trägerkörpern beschrieben. Fig. 8 zeigt eine aus gelochten
Blechen, Drahtgeweben oder dergleichen gebildete käfigartige Struktur 81, 82, 83,
in welcher in Strömungsrichtung des Fluids Drähte 84 aufgespannt sind. Auf die Drähte
können Raschig-Ringe aufgezogen werden. Dabei braucht die Zahl der Drähte 84 nicht
gleich der Zahl der Säulen aus Raschig-Ringen zu sein, da zwischen den Säulen auch
Raschig-Ringe ohne zusätzliche Halterung in der richtigen Richtung festgehalten
werden. Gemäß Fig.
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8 lassen sich ebenfalls Kartuschen zum Ausfüllen eines Reaktionsraumes
mit Katalysator-Trägerkörpern herstellen.
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Die vorliegende Erfindung hat ihren Hauptanwendungsbereich in großtechnischen
Anlagen, jedoch ist eine Verwendung auch bei kleinen Katalysatoren, z.B. im Automobilbau,
nicht ausgeschlossen, da zusätzlich zu dem Vorteil der leichteren Auswechselbarkeit
auch andere Vorteile auftreten. So sind die Raschig-Ringe bewährte Bauteile, welche
auch hohe Temperatur-Wechselbelastungen und große Temperaturgradienten ertragen.
Sie bieten daher im Gegensatz zu monolithischen keramischen Katalysator-Trägerkörpern
erhebliche Vorteile überall da, wo Festigkeit und Beständigkeit gegen Temperaturschocks
und dergleichen verlangt werden.
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