DE3902750A1 - Katalysator-reaktor fuer exotherme chemische reaktionen zwischen gasfoermigen komponenten - Google Patents

Description

Bei der exothermen chemischen Reaktion eines Gasgemisches in Gegenwart eines Katalysators ist eine untere Grenztemperatur des Gasgemisches beim Eintritt in den Katalysator-Reaktor und eine obere Grenztemperatur des Gasgemisches beim Aus­ tritt aus dem Reaktor einzuhalten. Die untere Grenztempera­ tur ist erforderlich, damit eine effektive Reaktion in Gegen­ wart des Katalysators stattfindet. Die obere Grenztemperatur ist mit Rücksicht auf die Beanspruchung des Katalysatormaterials einzuhalten. Um das Gasgemisch, das beispielsweise mit Raumtemperaturen angeliefert wird, auf die erforderliche Eintrittstemperatur zu erhitzen, ist es bekannt, daß Gasgemisch durch einen Wärmetauscher zu leiten, dessen Primärseite mit dem aus dem Katalysator-Reaktor austretenden heißen Gas beschickt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Katalysator- Reaktor der eingangs genannten Art zu entwickeln, der das vorgenannte, aus einem Katalysator-Reaktor und einem separa­ ten Wärmetauscher bestehende System ersetzt und der dem be­ kannten zweiteiligen System hinsichtlich der Materialbean­ spruchung und der Durchsatzmenge überlegen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Katalysator-Reaktor für exotherme chemische Reaktionen zwischen gasförmigen Kompo­ nenten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welcher erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des An­ spruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Ansprüchen genannt.

Die Arbeitsweise des Katalysator-Reaktors gemäß der Erfin­ dung kann als praktisch adiabatisch bezeichnet werden, da zum Betrieb des Reaktors die Zuführung von Fremdwärme (in der Regel) nicht erforderlich ist.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert wer­ den. Es zeigen

Fig. 1 eine zweiteilige Anordnung gemäß dem Stand der Tech­ nik,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Katalysator-Reaktors gemäß der Erfindung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den zweiten Hauptraum des Katalysator-Reaktors gemäß Fig. 2 längs der Linie A-B in Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt durch den ersten Hauptraum des Ka­ talysator-Reaktors gemäß Fig. 2 längs der Linie C-D in Fig. 2.

Das Gefäß des Katalysator-Reaktors in Fig. 2 und 3 ist mit 1 bezeichnet. Wie Fig. 1 zeigt, ist das Gefäß durch eine Trennwand 2 in zwei Haupträume 3 und 4 unterteilt. In die Trennwand 2 sind rohrförmige Kammern 5 eingesetzt, in denen Katalysatormaterial 6 angeordnet ist. Die Rohrkammern 5 er­ strecken sich nach unten in den ersten Hauptraum 3 und sind gegenüber diesem hermetisch verschlossen. Nach oben münden die Rohrkammern offen in den Hauptraum 4. von dem Hauptraum 4 ist durch eine Trennwand 8 eine Vorkammer 7 abgegrenzt, von der aus sich zur Vorkammer 7 offene Rohre 9 in die Rohr­ kammern 6 erstrecken und nahe dem Boden der Rohrkammern mün­ den. In Fig. 2 sind der besseren Übersicht halber nur zwei Rohre 9 und Rohrkammern 5 in geringfügig vergrößertem Maß­ stab dargestellt. Die Fig. 3 und 4 zeigen, wie eine große Anzahl solcher Rohre und Rohrkammern in dem Reaktorgefäß un­ tergebracht sein können.

Das zur Reaktion zu bringende Gasgemisch wird dem ersten Hauptraum des Reaktorgefäßes über eine Eintrittsöffnung 10 zugeführt und über eine Lochplatte 11 über den Querschnitt des Reaktors verteilt. In dem Hauptraum 3 sind horizontale Leitbleche 12 angeordnet, die den Strom des Gasgemisches in horizontaler Richtung im Kreuzgegenstrom führen, wodurch eine intensive Umspülung der Rohrkammern durch das Gasge­ misch erfolgt und den Rohrkammern Wärme entzogen wird. Nach Durchströmen dieses in dem ersten Hauptraum gebildeten Wär­ metauschers wird das Gasgemisch über eine Verbindungsleitung 14 von der Austrittsöffnung 13 aus dem ersten Hauptraum über die Eintrittsöffnung 15 in eine Vorkammer 7 des zweiten Hauptraums geleitet. Von hier strömt das Gasgemisch durch die Rohre 9 zum Boden der Rohrkammern, wo es umgelenkt wird, worauf es in Kontakt mit dem Katalysatormaterial gelangt und die exotherme, chemische Reaktion stattfindet.

Der zweite Hauptraum 4 ist ebenfalls als Wärmetauscher aus­ gebildet. Das aus den Rohrkammern austretende heiße Gas gibt Wärme an das durch die Rohre 9 zu den Rohrkammern strömende vorerhitzte Gasgemisch ab. Zu diesem Zweck sind auch in dem zweiten Hauptraum Leitbleche 17 angeordnet, die für eine intensive Umspülung der Rohre 9 durch das heiße Gas sorgen. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung können die Rohre 9 und die Rohrkammern 5 mit Rippen 16 versehen sein. Diese sind bei den Rohren 9 vorzugsweise auf der Innenseite der Rohre angeordnet. Bei den Rohrkammern 5 befinden sich die Rippen an der Außenseite.

Nach außen ist das Reaktorgefäß durch geeignetes Material 22 isoliert. Die Heizkammer 18 ist vorzugsweise als Mischbrenn­ kammmer ausgebildet. Andere Brennkammern, wie beispielsweise elektrisch beheizte, kommen ebenfalls in Betracht. Die Heiz­ kammer 18 kann auch innerhalb des Rohrkammers angeordnet sein. Ihre Anordnung außerhalb hat jedoch wartungstechnische Vorteile.

Das Verständnis der Wirkungsweise der Erfindung wird anhand der in Fig. 1 gezeigten bekannten Anlage und den in den Fig. 1 und 2 angegebenen Temperaturwerten erleichtert. Fig. 1 zeigt eine der in der Einleitung genannten bekannten Anlagen, mit einem Reaktorgefäß 1 und einem nachgeschalteten separaten Wärmetauscher 1 a. Bei den in Fig. 1 und 2 angege­ benen Temperaturwerten handelt es sich um Beispielswerte. Diese Temperaturen, beispielsweise die Eintrittstemperatur in die Rohrkammern, hängen von der Art des zugeführten Gas­ gemisch, also der chemischen Reaktion, sowie von der Art des Katalysatormaterials ab. Den angegebenen Temperaturwerten liegt der Beispielsfall zugrunde, daß es sich bei dem dem Katalysator-Reaktor zugeführten Gasgemisch um Luft handelt, die mit sehr geringen Mengen (etwa 10 g/pro m³) Kohlenwas­ serstoffen versetzt ist. Es handelt sich dabei um ein Abgas, das in die Atmosphäre entlassen werden soll, wobei jedoch zunächst die schädlichen Kohlenwasserstoffe durch Verbren­ nung im Katalysator-Reaktor beseitigt werden sollen. Bei der vorgenannten Reaktionsart beträgt die Eintrittstemperatur für den katalytischen Verbrennungsvorgang etwa 350°C. Der Strömungsweg des Gasgemisches ist durch Pfeile in Fig. 1 und 2 angedeutet. Das Gasgemisch wird in Fig. 2 im ersten Wärmetauscher 5, 12 auf etwa 175°C aufgeheizt, wobei dem ka­ talytischen Verbrennungsprozeß Wärme entzogen wird. Im zwei­ ten Wärmetauscher 9, 17 erfolgt eine weitere Aufheizung auf etwa 350°C. Dank des Wärmeentzuges durch den ersten Wärme­ tauscher 5, 12 beträgt die Austrittstemperatur am Austritt der Rohrkammern 5 nur etwa 450°C. Nach Kühlung durch den zweiten Wärmetauscher 9, 17 verläßt das Gas die Rohrkammer mit etwa 275°C.

Für den Fall, daß der Kohlenwasserstoffgehalt des Gasgemi­ sches zu gering ist, so daß die Vorwärmung des Gasgemischs im ersten Wärmetauscher unzureichend ist, ist in der Verbin­ dungsleitung 14 eine beispielsweise mittels Verbrennung oder elektrisch arbeitende externe Heizvorrichtung angeordnet, die das Gasgemisch auf eine für den Eintritt in die Rohre 9 gewünschte Temperatur aufheizt. Wenn dagegen der Kohlenwas­ serstoffgehalt des Gasgemischs zu hoch ist, so daß die Ge­ fahr besteht, daß die Temperatur, mit der das Gasgemisch in die Vorkammer 7 und damit in die Rohrkammern eintritt, zu hoch wird, kann über eine Bypass-Leitung 19 ein Teil des zugeführten Gasgemisches an dem ersten Hauptraum 3 vorbeige­ leitet werden. In dieser Leitung liegt ein Ventil 20, wel­ ches in Abhängigkeit der Temperatur des Gasgemisch an der Austrittsöffnung 13 über ein Stellglied 21 geregelt oder gesteuert werden kann.

Zu den Vorteilen der Erfindung gegenüber der bekannten Vor­ richtung nach Fig. 1 gehören:

• a) Dadurch, daß das Katalysatormaterial gekühlt wird, liegt die Austrittstemperatur hinter dem Katalysator bei glei­ chem Aufwand an Katalysatormaterial und gleichem Durch­ satz bei der Erfindung wesentlich niedriger als bei der bekannten Vorrichtung (450°C gegenüber 600°C), so daß bei dem Katalysator-Reaktor gemäß der Erfindung die Beanspru­ chung des Materials und die auftretenden Wärme­ dehnungsprobleme kleiner sind.
• b) Bei der Erfindung werden die Außenflächen der Rohrkammern in einer den Material- und Raumaufwand vermindernden Weise als Wärmetauscher verwendet, wobei die Wärmeüber­ gangszahl infolge des als fester Körper in den Rohrkam­ mern vorhandenen Katalysatormaterials besonders hoch ist.
• c) Dadurch, daß der Verbrennung während der katalytischen Reaktion in dem ersten Hauptraum bereits Wärme entzogen wird, findet nach allgemeinen chemischen Gleichgewichts­ gesetzen eine zeitliche Beschleunigung der Reaktion statt.

Sowohl durch den letztgenannten Effekt, wie durch die Errei­ chung geringer Spitzentemperaturen kann die Anlage entweder kleiner gebaut werden oder bei gleich großer Anlage kann der Durchsatz wesentlich erhöht werden.

Neben der bereits beispielshaft angedeuteten Verwendung des Katalysator-Reaktor gemäß der Erfindung zur Reinigung eines Gases von schädlichen Gaskomponenten (Nachverbrennung), kann der Katalysator-Reaktor auch für Synthesereaktionen verwen­ det werden, wie z.B. bei der Niederdruckherstellung (ca. 50 bar) von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff oder bei der Niederdruckherstellung von Methanol aus Sythesegas, be­ stehend aus CO, CO₂ und H₂.

Claims (5)

1. Katalysator-Reaktor für exotherme chemische Reaktionen zwischen gasförmigen Komponenten bei dem in einem Reaktorge­ fäß (1) eine Vielzahl von Rohrkammern (5) angeordnet ist, in denen sich Katalysatormaterial (6) befindet und durch die das zur Reaktion zu bringende Gasgemisch leitbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Reaktorgefäß (1) in Strömungsrichtung des Gasge­ misches in einen ersten und einen zweiten Hauptraum (3, 4) unterteilt ist,
daß der erste und der zweite Hauptraum als ein erster und ein zweiter Wärmetauscher (5, 12; 9, 17) ausgebildet sind,
daß die Rohrkammern (5) in die Trennwand zwischen dem er­ sten und dem zweiten Hauptraum derart eingesetzt sind,
daß sie in den ersten Hauptraum (3) diesem gegenüber her­ metisch verschlossen hineinragen und mit ihren Öffnungen in den zweiten Hauptraum münden,
daß die Rohrkammern (5) im ersten Hauptraum (3) im Strom des in diesen Raum einleitbaren Gasgemisches liegen und die durch die exotherme Reaktion entstehende Wärme an das Gasgemisch abzugeben vermögen,
daß das Gasgemisch aus dem ersten Hauptraum (3) in eine Vorkammer (7) des zweiten Hauptraums (4) leitbar ist,
daß sich von dieser Vorkammer (7) Rohre (9) durch den zweiten Hauptraum (4) hindurch zu den Bodenbereichen der Rohrkammer (5) erstrecken,
und daß die aus den Rohrkammern (5) an oder nahe der Trennwand (2) austretenden heißen Gase Wärme an die durch den zweiten Hauptraum (4) verlaufenden Rohre (9) abzuge­ ben vermögen, bevor sie über einen Ausgang das Reaktorge­ fäß verlassen können.

2. Katalysator-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Hauptraum und/oder dem zweiten Hauptraum Leitbleche (12, 17) derart angeordnet sind, daß das Gasgemisch mehrfach im wesentlichen in horizontaler Richtung im Bereich der Rohrkammern (5) bzw. der Rohre (9) im Kreuzgegenstrom umgelenkt wird.

3. Katalysator-Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wände der Rohrkammern (5) und/oder der Rohre (9) mit die Wärmeübertragung verstärkenden Rippen (16) versehen sind.

4. Katalysator-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung (14) für das Gasgemisch zwischen dem er­ sten Hauptraum (3) und dem zweiten Hauptraum (4) eine Heiz­ kammer (18), die vorzugsweise als Mischbrennkammer ausgebil­ det ist, zum Nacherhitzen des Gasgemischs innerhalb oder außerhalb des Reaktorgefäßes (1) angeordnet ist.

5. Rohrkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingang und dem Ausgang des ersten Hauptraums (3) eine Bypass-Leitung (19) mit einem vorzugsweise temperaturabhän­ gig steuerbaren Ventil (20) angeordnet ist.