DE3708230A1 - Vorrichtung zur durchfuehrung katalytischer reaktionen mit gasfoermigen fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur Durch­ führung katalytischer Reaktionen mit gasförmigen Fluiden in einem im wesentlichen zylindrischen, im Inneren eine Katalysatorfüllung aufweisenden Reaktor und mit einer den Reaktor umgebenden Kühl- oder Heizkammer.

Zum Beispiel bei der Methanolsynthese sind sogenannte stehende Re­ aktoren bekannt (DE-OS 33 32 049 oder 33 44 423). Dabei ist in einem Gehäuse ein Katalysatorbett vorgesehen, wel­ ches von zylindrischen Kühlrohren durchsetzt ist, so daß die durch die exotherme Reaktion entstehende Wärme über diese Kühlrohre abgeführt werden kann.

Es hat sich nun gezeigt, daß sich innerhalb des Katalysa­ torbettes das Temperaturprofil so ungünstig einstellen kann, daß es zu erheblichen Wirkungsgradeinbußen kommen kann. Auch muß dann ein sehr großes mittleres radiales Tem­ peraturgefälle in Kauf genommen werden. So sind die Gas­ ströme im unmittelbaren Kern des Katalysatorbettes bereits nach einer kurzen Durchströmstrecke sehr heiß, während die Randströmungen noch vergleichsweise kalt sind, da sie mit den Kühlflächen unmittelbar in Berührung stehen. Die Ver­ schiebung des Temperaturmaximums bei fortschreitendem Durchgang durch den Reaktor kann immer größer werden, wo­ raus sich dann das erwähnte große mittlere radiale Tempe­ raturgefälle ergibt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der ein Ausgleich des Temperaturprofiles über den Quer­ schnitt einer Katalysatorfüllung erreicht wird, wobei dies mit einfachen technischen Mitteln ermöglicht werden soll.

Bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in Abständen zueinander in der Katalysatorfüllung Umlenkein­ richtungen für das den Katalysator durchströmende Gas zur Umlenkung innerer Gasströme nach außen und äußerer Gasströ­ me in das Innere des Katalysators vorgesehen sind.

Mit diesen Umlenkeinrichtungen wird erreicht, daß bei­ spielsweise in einer zylinderförmigen Katalysatorfüllung, die vom Gas durchströmt wird, die heißerwerdende Innenströ­ mung nach einer gewissen Strömungsstrecke nach außen an die kühlenden Wände geleitet wird, während die an dieser Stelle noch kühleren Außengasströmungen nach innen umgelei­ tet werden. Geschieht diese wechselweise Umlenkung inner­ halb der Katalysatorfüllung an mehreren Stellen, wird eine Vergleichmäßigung des Temperaturprofiles erreicht, so daß eine besonders optimale Ausnutzung möglich ist.

Die Erfindung sieht auch vor, daß die Umlenkeinrichtungen als Gasführungseinsätze aus einem resistenten Material, wie Stahl, Glas, Keramik oder dgl., gebildet sind. Je nach Aggressivität eignen sich besonders Keramikscheiben, die mit den entsprechenden Umlenkkanälen ausgerüstet sind. Die Erfindung sieht aber auch vor, daß die Umlenkeinrichtun­ gen aus Scheiben mit in Strömungsrichtung gesehen von in­ nen nach außen gerichteten und von außen nach innen gerich­ teten Gasführungskanälen ausgebildet sind.

Dabei kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, daß die Umlenkeinrichtungen mit Bohrungen zur gleichzeitigen axia­ len wie radialen Umlenkung der betroffenen Gasströmungen ausgerüstet sind, wodurch sich eine besonders gute Ver­ gleichmäßigung ergibt, da nicht immer gewährleistet ist, daß je nach Bauweise der Kühleinrichtung eine gleichmäßig umlaufende Kühlung verwirklicht werden kann.

An dieser Stelle sei bemerkt, daß die Erfindung selbstver­ ständlich nicht nur auf exotherme Reaktionen beschränkt ist, in gleicher Weise können auch endotherme Reaktionen in einem Katalysatorbett unterstützt werden, nämlich dann, wenn von außen Wärme eingebracht werden muß und dies über den Querschnitt möglichst rasch und gleichmäßig geschehen soll.

Die Erfindung sieht auch vor, daß die Gasführungseinsätze zur inneren Reaktorwand einen Abstand aufweisen und/oder die Umlenkeinrichtungen lediglich einen Teilbereich des Reaktionsquerschnittes überdecken und/oder in Strömungs­ richtung gegeneinander versetzt im Reaktor angeordnet sind.

Eine derartige Anordnung kann dann beispielsweise zum Ein­ satz kommen, wenn Krümmungen oder Umlenkungen vorgesehen sind, die ohnehin zu einer andersartigen Strömung inner­ halb des Katalysatorbettes führen.

Schließlich sieht die Erfindung bei einer als Methanolröh­ renreaktor ausgebildeten Vorrichtung auch vor, daß eine Mehrzahl von über die Außenwand gekühlten Rohrreaktoren zu einer Batterie zusammengefaßt sind, wobei die Reaktorrohre einen Durchmesser größer 80 mm, insbesondere im Bereich von bis zu 300 mm aufweisen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert, diese zeigt in

Fig. 1 schematisch die Anordnung von Röhrenreaktoren mit einer Außenkühlung sowie in

Fig. 2 eine schematische Schnittzeichnung eines Strömungs­ umlenkers nach der Erfindung.

In Fig. 1 sind zwei Röhrenreaktoren 1 und 1 a dargestellt, die von einem über die Leitung 2 von oben zuströmenden gas­ förmigen Fluid durchströmt werden. Hierbei kann es sich z. B. um exotherme Prozesse, wie bei Methanol, bei Ammoniak oder bei der CO-Konversiation oder dgl., handeln. Im Inne­ ren der Reaktoren sind Röhren 3 angeordnet, die mit einer Katalysatorfüllung versehen sind, durch die das Gas gelei­ tet wird. Ummantelt sind die Katalysatorröhren 3 mit kon­ zentrischen Außenrohren 4, die der Kühlung dienen, wobei im Gegenstrom z. B. Kühlwasser über eine untere Leitung 5 in die Kühlrohre 4 eintritt, diese durchströmt und oben in einem Sammler 6 gesammelt und weitergeführt wird. Das den Katalysator verlassende Gas wird über die Leitung7 abge­ zogen.

Wesentlich für die Erfindung sind Umlenkeinrichtungen 8 im Inneren der Katalysatorrohre 3. Eine derartige Umlenkein­ richtung 8 ist in Fig. 2 im Schnitt vergrößert wiedergege­ ben. Sie besteht aus einem scheibenförmigen Bauteil, z. B. aus Stahl, Keramik oder dgl., in welches Strömungskanäle 9 im Winkel zur durch den Pfeil 10 angedeuteten Hauptströ­ mungsrichtung eingebracht sind. Diese Strömungskanäle lei­ ten im Inneren strömende Gase im einen Falle nach außen und im Randbereich strömende Gase wechselweise nach innen.

Die Strömungskanäle 9 können dabei, abweichend von der Dar­ stellung gemäß Fig. 2, nicht nur in einer Ebene schräg ge­ stellt, sondern zusätzlich auch noch aus dieser Ebene aus­ gelenkt sein, so daß es neben einer reinen axialen Umlen­ kung auch zu einer radialen Umlenkung kommt.

Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Er­ findung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So können die Umlenkeinrich­ tungen 8 nur Teile der Katalysatorröhre 3 durchsetzen, und dgl. mehr.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Reaktionen mit gasförmigen Fluiden in einem im wesentlichen zylindri­ schen, im Inneren eine Katalysatorfüllung aufweisenden Reaktor und mit einer den Reaktor umgebenden Kühl- oder Heizkammer, dadurch gekennzeichnet, daß in Abständen zueinander in der Katalysatorfüllung (11) Umlenkeinrichtungen (8) für das den Katalysator (3) durch­ strömende Gas zur Umlenkung innerer Gasströme nach außen und äußerer Gasströme in das Innere des Katalysators vor­ gesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtungen (8) als Gasführungseinsätze aus einem resistenten Material, wie Stahl, Glas, Keramik o. dgl., gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtungen (8) als Scheiben mit in Strö­ mungsrichtung gesehen von innen nach außen gerichteten und von außen nach innen gerichteten Gasführungskanälen (9) ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtungen (8) mit Bohrungen (9′) zur gleichzeitigen axialen wie radialen Umlenkung der betrof­ fenen Gasströmungen ausgerüstet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtungen (8) zur inneren Reaktorwand einen Abstand aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtungen (8) lediglich einen Teilbe­ reich des Reaktorquerschnittes überdecken und/oder in Strö­ mungsrichtung (10) gegeneinander versetzt im Reaktor ange­ ordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche als Methanolröhrenreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von über die Außenwand gekühlten Rohrre­ aktoren (1, 1 a) zu einer Batterie zusammengefaßt sind, wo­ bei die Reaktorrohre (3, 3 a) einen Durchmesser größer 80 mm insbesondere im Bereich bis zu 300 mm aufweisen.