DE3939544A1 - Reaktor zur durchfuehrung katalytischer gasreaktionen bzw. physikalischer trennoperationen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung kata­ lytischer Gasreaktionen bzw. physikalischer Trennoperatio­ nen mit einem im wesentlichen kugelförmigen, druckfesten Reaktormantel und einem im Reaktormantel angeordneten ku­ gelförmigen Katalysatorbett sowie mit einem Synthesegasein­ tritt mit einem im Zentrum des kugelförmigen Katalysator­ betts angeordneten Synthesegasverteiler und mit wenigstens einem Synthesegasaustritt.

Aus der italienischen Patentanmeldung IT 8 52 935 ist ein solcher Reaktor bekannt, welcher einen äußeren druckdich­ ten, etwa kugelförmigen Reaktormantel aufweist, in welchem zwischen einer inneren und einer äußeren kugelförmigen, mit Öffnungen versehenen Katalysatorummantelung ein kugel­ förmiges Katalysatorbett angeordnet ist. Im Seitenbereich des äußeren Reaktormantels ist ein horizontaler Synthese­ gaseintritt angeordnet, der durch das Katalysatorbett hin­ durch in das Innere der inneren Katalysatorummantelung in weitere Verteilrohre mündet, die ihrerseits in den zwi­ schen der äußeren Katalysatorummantelung und dem Reaktor­ mantel gebildeten kugelschalenförmigen Raum münden. Weiter­ hin ist an der gegenüberliegenden Seite des Synthesegasein­ tritts am Reaktormantel ein vom Innenraum der inneren Kata­ lysatorummantelung ausgehender horizontaler Synthesegasaus­ tritt angeordnet. Das Synthesegas wird über den Synthese­ gaseintritt und die Verteileinrichtungen in den kugelscha­ lenförmigen Raum geführt und strömt von dort etwa radial von außen nach innen durch das Katalysatorbett, in welchem die Reaktion stattfindet, um anschließend in den Innenraum der inneren Katalysatorummantelung einzutreten und durch den Synthesegasaustritt abgeführt zu werden.

Der bekannte kugelförmige Reaktor zeichnet sich im Ver­ gleich zu sonst üblichen zylinderförmigen Reaktoren insbe­ sondere durch eine wesentlich höhere Druckfestigkeit aus, d. h. es können bei vergleichbaren Reaktormantelmaterialien geringere Wandstärken verwendet oder bei etwa gleichen Wandstärken können einfachere, weniger feste Mantelmate­ rialien eingesetzt werden, wodurch die Herstellungskosten entsprechend wesentlich verringert werden. Von Nachteil bei der bekannten Lösung ist jedoch der relativ aufwendige und komplizierte Reaktoraufbau, da zur Ausbildung des ku­ gelschalenförmigen Synthesegasverteilraumes zusätzlich zum Reaktormantel eine äußere Katalysatorummantelung und außer­ dem aufwendige Gasverteileinrichtungen zur Leitung des Syn­ thesegases vom Zentrum in den kugelschalenförmigen Raum notwendig sind. Vor allem hat sich herausgestellt, daß sich im Katalysatorbett kein definiertes, vorherbestimmba­ res Strömungsprofil einstellt, so daß es schwierig ist, die Synthesereaktion im gewünschten Maße durchführen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der ein derartiger kugelförmiger Reaktor vereinfacht und insbesondere ein definiertes Strömungsprofil im Katalysa­ torbett eingestellt werden kann.

Mit einem Reaktor der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Bildung ei­ ner definierten Strömung des Synthesegases im wesentlichen radial von innen nach außen der Synthesegasverteiler kugel­ förmig mit einer perforierten Außenfläche ausgebildet und der Synthesegasaustritt von einer Mehrzahl am Reaktorman­ tel verteilt angeordneter Gasaustritte mit den Reaktorman­ tel durchdringenden Gassammelleitungen gebildet ist.

Durch diese Ausbildung wird der Reaktor vereinfacht, da keine aufwendigen Verteileinrichtungen für das Synthesegas und neben dem Reaktormantel keine das Katalysatorbett be­ grenzenden weiteren Katalysatorummantelungen erforderlich sind. Durch die Ausbildung des Synthesegasverteilers und des Synthesegasaustritts mit der Mehrzahl von Gasaustrit­ ten wird im Katalysatorbett eine weitgehend genau definier­ te Strömung des Synthesegases radial von innen nach außen erreicht, wobei der Reaktionsraum nach außen hin zunimmt, was aufgrund des nach außen hin zunehmenden Reaktionsablau­ fes und der ebenfalls zunehmenden Wärmeentwicklung bei exo­ thermen Reaktionen von entsprechend großem Vorteil ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß die Gasaustritte jeweils einen mit dem Katalysa­ torbett in Verbindung stehenden Gassammelkörper mit perfo­ rierter Kontaktfläche aufweisen, wobei der Gassammelkörper bevorzugt konisch, korbförmig, zylinderförmig oder schei­ benförmig ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltungen kann eine besonders große Austrittsfläche am jeweiligen Gassammelkörper bereitgestellt werden, wodurch entspre­ chend ein definiertes Strömungsprofil des Synthesegases im wesentlichen radial von innen nach außen gewährleistet wird und Totzonen im Katalysatorbett vermieden werden.

Vorteilhaft ist es, wenn die Gassammelleitungen der Gasaus­ tritte außerhalb des Reaktormantels mit einer zentralen Gasabführleitung verbunden sind. Diese Gasabführleitung ist dann außerhalb des Reaktormantels angeordnet.

In weiterer Ausgestaltung sieht die Erfindung vorteilhaft auch vor, daß im Bereich der Reaktoroberseite ein gefüll­ ter Katalysatordom zum Volumenausgleich beim erstmaligen Anfahren des Reaktors angeordnet ist. Bei Verwendung spe­ zieller Katalysatoren, z. B. von Kupfer-Katalysatoren, die in der Anfahrphase des Reaktors um etwa 10% schrumpfen, wird dann auf konstruktiv besonders einfache Weise ein selbsttätiges Nachrutschen von Katalysator und damit eine vollständige Befüllung des Reaktorinnenraumes mit Katalysa­ tor gewährleistet.

Konstruktiv besonders günstig ist es dann, daß der Synthe­ segaseintritt durch den Katalysatordom geführt ist. Es ist dann nicht notwendig, am kugelförmigen Reaktoraußenmantel einen zusätzlichen Anschlußflansch vorzusehen, vielmehr kann der Anschlußflansch des Katalysatordoms entsprechend auch für den Synthesegaseintritt benutzt werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Synthesegasverteiler zusätzlich mit einer Quenchgaszu­ führung verbunden ist, wodurch eine Temperaturregelung, insbesondere Kühlung, im Reaktor möglich ist. Es kann aber auch ein dem Reaktor nachgeschalteter Wärmeaustauscher zum Wärmeaustausch außerhalb des Reaktors vorgesehen sein.

Der erfindungsgemäße Reaktor ist insbesondere zur Verwen­ dung zur Methanol- oder Ammoniaksynthese, zur CO-Konver­ tierung, zur Methanisierung oder zur Hydrierung bzw. selek­ tiven Hydrierung von Kohlenwasserstoffen oder zur Aufnahme von physikalisch arbeitenden Massen geeignet, wie Aktivkoh­ le oder Zinkoxid, z. B. zur Adsorption von H₂S, CO₂ und H_g, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid und Quecksilber.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläuert. Diese zeigt in

Fig. 1 einen vereinfachten Schnitt durch einen Reaktor ge­ mäß der Erfindung und

Fig. 2 ein Verfahrensfließbild einer Methanolsynthese unter Einsatz erfindungsgemäßer Reaktoren nach Fig. 1.

Ein Reaktor zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen, insbesondere für die Methanol- oder Ammoniaksynthese, die CO-Konvertierung, die Methanisierung oder die selektive Hy­ drierung, ist in der Zeichnung allgemein mit 1 bezeichnet. Der Reaktor 1 weist zunächst einen im wesentlichen kugel­ förmigen, druckfesten Reaktormantel 2 auf, an dessen Ober­ seite ein Katalysatordom 3 druckdicht angeordnet ist. Der Katalysatordom 3 ist mit einem Katalysatorfüllstutzen 4 und einem Mannloch 5 versehen und enthält ein mit 6 be­ zeichnetes Katalysatorvorhaltevolumen.

An der Oberseite des Katalysatordomes 3 und damit eben­ falls an der Oberseite des Reaktors ist ein Synthesegasein­ tritt angeordnet, der in Fig. 1 durch den Pfeil 7 angedeu­ tet ist. Dieser Gaseintritt 7 weist eine Leitung 8 auf, die durch den Katalysatordom 3 geführt und in einem im Zen­ trum des kugelförmigen Reaktormantels 2 angeordneten kugel­ förmigen Synthesegasverteiler 9 mündet. Der Synthesegasver­ teiler 9 weist eine perforierte Außenfläche 10 auf und ist im Zentrum des mit 11 bezeichneten kugelförmigen Katalysa­ torbetts im Reaktormantel 1 angeordnet.

Der Synthesegasaustritt ist von einer Mehrzahl von Gasaus­ tritten 12 gebildet, die bevorzugt symmetrisch verteilt an der Innenseite des Reaktormantels 2 angeordnet sind. Die Gasaustritte 12 weisen jeweils einen Gassammelkörper 13 mit perforierter Kontaktfläche 14 innerhalb des Reaktors auf, wobei die Sammelkörper 13 eine unterschiedliche Raum­ form aufweisen können. In Fig. 1 ist beispielhaft ein koni­ scher Sammelkörper mit 13a, ein zylinderförmiger Gassammel­ körper mit 13b und ein scheibenförmiger Gassammelkörper mit 13c bezeichnet.

Selbstverständlich ist bei einem Reaktor für alle Gassam­ melkörper 13 nur eine einheitliche Raumform vorgesehen, um ein einheitliches Strömungsprofil im Reaktor zu gewähr­ leisten. Jeder Gassammelkörper 13 ist mit einer Gassammel­ leitung 15 versehen, die den Reaktormantel 2 durchdringt und in Gasabführleitungen 16 außerhalb des Reaktormantels 2 mündet. Diese Gasabführleitungen 16 sind vorzugsweise in eine in Fig. 1 nicht dargestellte zentrale Gasabführlei­ tung zusammengeführt, die Strömungsrichtung ist durch Pfei­ le 16a angedeutet.

An der Reaktorunterseite ist ein Katalysatorauslaßstutzen 17 angeordnet, durch den verbrauchter Katalysator entnom­ men werden kann. Am Katalysatordom 3 kann zusätzlich auch noch eine Reduktionseinrichtung für den Katalysator vorge­ sehen sein, die in der Zeichnung nur durch eine Anschluß­ leitung 18 angedeutet ist, die vom Synthesegaseintritt 7 abzweigt und in den Katalysatordom 3 mündet.

Wie erkennbar, wird durch die Anordnung des Synthesegasver­ teilers 9 im Zentrum vom des Katalysatorbetts 11 und der Vielzahl der Gasaustritte 12 an der Innenseite des Reaktor­ mantels 2 eine im wesentlichen radiale Strömung des Synthe­ segases von innen nach außen erreicht, ein solches Strö­ mungsprofil ist vereinfacht in Fig. 1 dargestellt und mit 19 bezeichnet. Neben dem Synthesegaseintritt 7 kann auch noch eine Quenchgaszuführung zur Temperaturregelung des Re­ aktors vorgesehen sein, was in der Zeichnung nicht darge­ stellt ist. Eine solche Quenchgaszuführung ist dann bevor­ zugt mit dem Synthesegasverteiler 9 verbunden.

In Fig. 2 ist die Anwendung eines Reaktors nach Fig. 1 dar­ gestellt, wobei Fig. 2 eine Methanolsyntheseanlage zeigt, in der drei kugelförmige Reaktoren 1 vorgesehen sind.

Frischgas 21 und Kreislaufgas 22 werden zunächst zu einem Gasstrom 23 gemischt. Dieser Gasstrom 23 wird anschließend in einem Verdichter 24 zu einem Gasstrom 25 verdichtet. Dieser verdichtete Gasstrom 25 wird dann mit einem CO₂-Gasstrom 26 zu einem Gasstrom 27 vermischt.

Der Gasstrom 27 wird daraufhin in einem Gas-/Gaswärmeaus­ tauscher 28 bzw. in der Anfahrphase in einem Anfahrwärme­ austauscher 29, der mit einem externen Heizmedium 30 beauf­ schlagt ist, vorgewärmt. Der vorgewärmte Synthesegasstrom 27 wird dann in den ersten kugelförmigen Reaktor 1 einge­ leitet, wobei nach Reaktion in demselben das austretende Gas über die einzelnen Gasababführleitungen 16 in eine zen­ trale Gasabführleitung 16′ geleitet wird. Das Methanolpro­ duktgas der Leitung 16′ wird dann in einem ersten Mittel­ druck-Dampferzeuger 31, dessen Mitteldruckdampfleitung mit 32 angedeutet ist, abgekühlt und anschließend wird das ab­ gekühlte Methanolproduktgas 33 in einen zweiten kugelförmi­ gen Reaktor 1 eingeleitet.

Nach Durchströmung des zweiten Kugelreaktors 1 und Reak­ tion in demselben erfolgt eine weitere Abkühlung des ent­ standenen Methanolproduktgases 34 in einem zweiten Mittel­ druck-Dampferzeuger 31a, in dem Mitteldruckdampf 32a er­ zeugt wird.

Das abgekühlte Methanol-Produktgas 34 wird dann ggf. weite­ ren Reaktoren 1 zugeführt, je nach den gewünschten Reak­ tionsabläufen, letztendlich gelangt es jedoch in einen letzten kugelförmigen Reaktor 1, dessen Produktgas 35 dann zur Abkühlung durch den Gas-/Gaswärmeaustauscher 28 gelei­ tet wird. Das abgekühlte Produktgas 36 kann dann in einem Luftkühler 37 und ggf. in einem Kondensator 38 weiter abge­ kühlt werden, dessen Kühlwasserleitung mit 39 bezeichnet ist.

Das abgekühlte Produktgas 40 wird dann in einem vorzugswei­ se zweigeteilten Abscheider 41 in Rohmethanol 42, Kreis­ laufgas 22, Entspannungsgas 43 und Purgegas 44 getrennt.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Aus­ gestaltungen der Erfindung sind möglich, ohne den Grundge­ danken zu verlassen. So kann der erfindungsgemäße Reaktor selbstverständlich auch für andere katalytische Gasreak­ tionen und insbesondere auch für physikalische Trennopera­ tionen eingesetzt werden.

Claims (9)

1. Reaktor zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen bzw. physikalischer Trennoperationen mit einem im wesentlichen kugelförmigen, druckfesten Reaktormantel und einem im Reak­ tormantel angeordneten kugelförmigen Katalysatorbett sowie mit einem Synthesegaseintritt mit einem im Zentrum des ku­ gelförmigen Katalysatorbetts angeordneten Synthesegasver­ teiler und mit wenigstens einem Synthesegasaustritt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer definierten Strömung des Synthesega­ ses im wesentlichen radial von innen nach außen der Synthe­ segasverteiler (9) kugelförmig mit einer perforierten Außenfläche (10) ausgebildet und der Synthesegasaustritt von einer Mehrzahl am Reaktormantel (2) verteilt angeordne­ ter Gasaustritte (12) mit den Reaktormantel (2) durchdrin­ genden Gassammelleitungen (15) gebildet ist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustritte (12) jeweils einen mit dem Katalysa­ torbett (11) in Verbindung stehenden Gassammelkörper (13) mit perforierter Kontaktfläche (14) aufweisen.

3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassammelkörper (13) konisch, korbförmig, zylinder­ förmig oder scheibenförmig ausgebildet ist.

4. Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gassammelleitungen (15) der Gasaustritte (12) außerhalb des Reaktormantels (2) mit einer zentralen Gasab­ führleitung (16′) verbunden sind.

5. Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Reaktoroberseite ein mit Katalysator ge­ füllter Katalysatordom (3) zum Volumenausgleich beim erst­ maligen Anfahren des Reaktors angeordnet ist.

6. Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Synthesegaseintritt (7, 8) durch den Katalysatordom (3) geführt ist.

7. Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Synthesegasverteiler (9) zusätzlich mit einer Quenchgaszuführung verbunden ist.

8. Verwendung eines Reaktors nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, zur Methanol- oder Ammoniaksynthese, zur CO-Kon­ vertierung, zur Methanisierung oder zur Hydrierung bzw. se­ lektiven Hydrierung von Kohlenwasserstoffen.

9. Verwendung eines Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Adsorption mit Aktivkohle, Zinkoxid oder dgl.