DE4326643A1 - Tube-bundle reaction apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Rohrbündel-Reaktionsapparat zur Durchführung von exothermen oder endothermen katalytischen Reaktionen mit einem von einem Behältermantel umgebenen Bündel aus mit Katalysatoren versehenen Rohren und mit Ringkanälen zur radialen Zu- bzw. Abfuhr eines Wärmeträgermittels, das im Kreis lauf über einen außenliegenden Wärmeübertrager gepumpt wird.The invention relates to a tube bundle reactor for Implementation of exothermic or endothermic catalytic Reactions with a bundle surrounded by a container jacket from pipes provided with catalytic converters and with ring channels for radial supply or removal of a heat transfer medium in a circle is pumped via an external heat exchanger.
Derartige Rohrbündel-Reaktionsapparate sind bekannt. So zeigt beispielsweise die DE-PS 34 09 159 einen derartigen Reaktions apparat, der zwei oder mehr Pumpen umfaßt, die auf gemeinsame Ringkanäle und einen gemeinsamen Wärmeübertrager arbeiten. Eine derartige Konstruktion hat den Nachteil, daß die Pumpen synchro nisiert werden müssen, um ein schiefes Temperaturprofil im Be hälterinneren zu vermeiden. Außerdem muß sichergestellt werden, daß keine der Pumpen ausfällt, weil dann ein ordnungsgemäßer Ablauf der katalytischen Reaktion nicht sichergestellt werden kann.Such tube-bundle reactors are known. So shows for example, DE-PS 34 09 159 such a reaction apparatus comprising two or more pumps operating on common Ring channels and a common heat exchanger work. A such construction has the disadvantage that the pumps are synchro must be nized to a skewed temperature profile in the loading to avoid inside the container. It must also be ensured that none of the pumps fail, because then a proper one The catalytic reaction cannot be guaranteed can.
Die DE-AS 22 01 528 zeigt weiterhin einen Rohrbündel-Reaktions apparat mit mehreren Pumpen, denen jeweils eigene Ringkanäle für die Zu- bzw. Abfuhr des Wärmeträgermittels zugeordnet sind. Bei dieser bekannten Konstruktion findet allerdings eine Kopplung der beiden Wärmeträgermittelkreisläufe über eine regelbare Teil menge statt, wobei diese Teilmenge beide Kreisläufe und den für beide Pumpen gemeinsamen Wärmeübertrager durchströmt. Auch bei dieser bekannten Konstruktion kann somit keine der beiden Pumpen abgeschaltet werden, wenn die im Behälter ablaufende katalytische Reaktion ordnungsgemäß aufrechterhalten werden soll.DE-AS 22 01 528 also shows a tube bundle reaction apparatus with several pumps, each with its own ring channels for the supply and discharge of the heat transfer medium are assigned. At however, this known construction is coupled of the two heat transfer medium circuits via a controllable part quantity instead, this subset of both cycles and for flows through both pumps common heat exchanger. Also at this known construction can therefore neither of the two pumps be switched off when the one running out in the container catalytic reaction can be properly maintained should.
Der Erfindung liegt ausgehend von dem eingangs beschriebenen Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Rohr bündel-Reaktionsapparat zu schaffen, der bei einfachem Aufbau und geringstmöglichem apparativen Aufwand problemlos an unter schiedliche Betriebsbedingungen angepaßt werden kann, ohne daß sich ein schiefes Temperaturprofil im Reaktionsbehälter ein stellt.The invention is based on that described above Prior art based on the task of a tube to create bundle reaction apparatus with a simple structure and the lowest possible outlay on equipment different operating conditions can be adapted without there is a skewed temperature profile in the reaction vessel poses.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Pumpen vorge sehen sind, die jeweils an einen eigenen Ringkanal zur Zu- bzw. Abfuhr des Wärmeträgermittels angeschlossen sind und daß diese Ringkanäle mit in Strömungsrichtung des Wärmeträgermittels kontinuierlich entsprechend der in das Behälterinnere abge führten bzw. der aus dem Behälterinneren hinzutretenden Menge des Wärmeträgermittels ab- bzw. zunehmendem Strömungsquerschnitt ausgebildet sind.The solution to this problem by the invention is characterized in that at least two pumps are featured can be seen, each on its own ring channel for supply or Removal of the heat transfer medium are connected and that this Ring channels with in the direction of flow of the heat transfer medium continuously abge according to the inside of the container led or the amount to be added from the inside of the container of the heat transfer medium decreasing or increasing flow cross section are trained.
Durch die Verwendung mindestens zweier Pumpen kann die Leistung des Rohrbündel-Reaktionsapparates über einen großen Lastbereich problemlos an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepaßt werden, wobei es wegen der Anordnung getrennter Ringkanäle für den Zu- bzw. Ablauf des Wärmeträgermittels zu bzw. von jeder Pumpe möglich ist, eine Pumpe vollständig abzuschalten, da die Aufrechterhaltung eines über den Querschnitt des Rohr bündel-Reaktionsapparates gleichmäßigen Temperaturprofiles infolge der getrennten Ringkanäle gesichert ist. Weiterhin ent fällt die Notwendigkeit einer Synchronisation der Pumpen, da diese voneinander unabhängige Kreisläufe erzeugen. Aus diesem Grunde verursacht auch ein unterschiedlicher Verschleiß der Pumpen aufgrund längerer Laufzeit keine Probleme, weil unab hängig von der jeweils umgepumpten Menge des Wärmeträgermittels die sich bezüglich ihres Strömungsquerschnittes konstant ver ändernden Ringkanäle eine ausreichend gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgermittels über den Umfang des Reaktionsbehälters gewährleisten.By using at least two pumps, the performance can of the tube bundle reactor over a wide load range easily adapted to the respective operating conditions be, because of the arrangement of separate ring channels for the inflow and outflow of the heat transfer medium to and from everyone Pump is possible to switch off a pump completely because the Maintaining a cross-section of the pipe bundle reaction apparatus uniform temperature profile is secured due to the separate ring channels. Furthermore ent there is no need to synchronize the pumps because they create independent cycles. For this A different degree of wear also causes the Pumps no problems due to longer runtime, because independent depending on the pumped amount of heat transfer medium which are constantly ver in terms of their flow cross-section changing ring channels a sufficiently even distribution of the heat transfer medium over the circumference of the reaction container guarantee.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ringkanäle wird eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgermittels über den ge samten Umfang des Behälters erzeugt, um die vom Gas durchströmten Rohre des Rohrbündels gleichmäßig zu kühlen bzw. zu erwärmen. Bei katalytischen Reaktionen ist die Einhaltung enger Temperaturgrenzen und damit nahezu gleichmäßiger Rohrwand temperaturen zwingend erforderlich, so daß die gleichmäßige Beaufschlagung aller Rohre bei allen Betriebszuständen von besonderer Bedeutung ist. Trotz über den Umfang ab- bzw. zunehmender Menge des Wärmeträgermittels erzeugen die erfindungsgemäß ausgebildeten Ringkanäle eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit im Ringkanal und bewirken damit eine über den Umfang gesehen gleichmäßige Beaufschlagung des Rohrbündels mit Wärmeträgermittel unabhängig vom jeweiligen Lastzustand.The inventive design of the ring channels an even distribution of the heat transfer medium over the ge Entire circumference of the container generated by the gas to evenly flow through the tubes of the tube bundle or to warm up. Compliance with catalytic reactions narrow temperature limits and thus almost uniform pipe wall temperatures absolutely necessary so that the uniform All pipes are subjected to all operating conditions is of particular importance. Despite the extent or increasing amount of the heat transfer medium produce the ring channels designed according to the invention a uniform Flow velocity in the ring channel and thus cause a seen evenly over the circumference Pipe bundle with heat transfer medium regardless of the respective Load condition.
Obwohl der erfindungsgemäße Rohrbündel-Reaktionsapparat mit mehreren, jeweils einem Wärmeträgermittelkreislauf zugeordneten Wärmeübertragern ausgestattet werden kann, wird bei einer bevor zugten Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, alle Ringkanäle für die Zu- bzw. Abfuhr des Wärmeträgermittels gemeinsam an einen außenliegenden Wärmeübertrager anzuschließen. Ein solcher gemeinsamer Wärmeübertrager läßt sich besser unterschiedlichen Betriebsbedingungen anpassen als mehrere, jeweils mit getrennten Kreisläufen zusammenarbeitende Wärmeübertrager.Although the tube bundle reactor with several, each assigned to a heat transfer medium circuit Heat exchangers can be equipped at a before drafted training of the invention proposed all ring channels for the supply and discharge of the heat transfer medium together to connect an external heat exchanger. Such a common heat exchanger can be better different Adjust operating conditions as several, each with separate ones Circuits cooperating heat exchangers.
Um eine raum- und materialsparende Ausbildung der voneinander getrennten Ringkanäle zu ermöglichen, wird mit der Erfindung schließlich vorgeschlagen, jeweils zwei getrennte Ringkanäle durch einen im Querschnitt rechteckigen Kanal zu bilden, der durch eine schräg verlaufende Trennwand in zwei voneinander un abhängige Kanäle aufgeteilt ist. Diese schräge Trennwand ersetzt nicht nur zwei bei räumlich getrennter Anordnung notwendige Kanalwände, sondern bewirkt gleichzeitig die erfindungsgemäße kontinuierliche Veränderung des Strömungsquerschnittes, wenn die an den jeweiligen Ringkanal angeschlossenen Pumpen an gegenüber liegenden Seiten des Reaktionsbehälters angeordnet sind.A space and material-saving training of each other To enable separate ring channels, the invention finally proposed two separate ring channels each by a channel with a rectangular cross section, which through an inclined partition into two un dependent channels is divided. This slanted partition replaced not only two necessary in a spatially separate arrangement Canal walls, but at the same time effects the invention continuous change in flow cross-section when the pumps connected to the respective ring channel opposite lying sides of the reaction container are arranged.
Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele eines er findungsgemäßen Rohrbündel-Reaktionsapparates dargestellt, und zwar zeigen:In the drawing are two embodiments of a he tube bundle reactor according to the invention shown, and show:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 1 is a side view of a first embodiment,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Reaktionsbehälter gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1, Fig. 2 shows a longitudinal section through the reaction container along the section line II-II in Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Reaktionsbehälter gemäß der Schnittlinie III-III in Fig. 1, Fig. 3 shows a cross section through the reaction container along the section line III-III in Fig. 1,
Fig. 4 einen weiteren Querschnitt gemäß der Schnittlinie IV- IV in Fig. 1 und Fig. 4 shows a further cross section along the section line IV-IV in Fig. 1 and
Fig. 5 eine der Fig. 1 entsprechende Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform. Fig. 5 is a side view corresponding to FIG. 1 of a second embodiment.
Der zur Durchführung von exothermen oder endothermen katalytischen Reaktionen bestimmte Rohrbündel-Reaktionsapparat umfaßt einen Reaktionsbehälter, der durch einen zylindrischen Behältermantel 1 gebildet wird, der an seinen nach außen gewölbten Behälterböden mit Rohrstutzen 1a bzw. 1b für die Zu- bzw. Abfuhr eines einer katalytischen Reaktion zu unterziehenden Mediums ausgestattet ist. Die Reaktion kann exotherm oder endo therm verlaufen. Sie findet im wesentlichen in Rohren 2 statt, die mit geeigneten Katalysatoren ausgestattet sind. Die ein Rohrbündel bildenden Rohre verlaufen gemäß Fig. 2 zwischen zwei Rohrböden 2a und 2b, die gleichzeitig im Inneren des Behälter mantels 1 eine Verteilkammer 1c bzw. eine Sammelkammer 1d für das der katalytischen Reaktion zu unterwerfende Medium bilden.The tube bundle reaction apparatus intended for carrying out exothermic or endothermic catalytic reactions comprises a reaction vessel which is formed by a cylindrical vessel jacket 1 , which on its outwardly arched vessel bottoms with tube stubs 1 a or 1 b for the supply or removal of one catalytic reaction to the medium to be subjected. The reaction can be exothermic or endothermic. It takes place essentially in tubes 2 , which are equipped with suitable catalysts. The a tube bundle forming tubes run according to Fig. 2 between two tube plates 2 a and 2 b, which the catalytic reaction for the form at the same time in the interior of the container casing 1, a distribution chamber 1 c or a collection chamber 1 d to be subjected to medium.
Da katalytische Reaktionen, unabhängig davon, ob sie exotherm oder endotherm verlaufen, ordnungsgemäß nur innerhalb enger Tem peraturgrenzen ablaufen, ist es erforderlich, die Wandtemperatur sämtlicher Rohre 2 auf einer bestimmten Temperatur zu halten. Aus diesem Grunde werden die Rohre 2 des Rohrbündels auf ihrer äußeren Mantelfläche mit einem Wärmeträgermittel beaufschlagt, das entsprechend der katalytischen Reaktion Wärme abführt oder zuführt.Since catalytic reactions, regardless of whether they are exothermic or endothermic, only properly take place within narrow temperature limits, it is necessary to keep the wall temperature of all tubes 2 at a certain temperature. For this reason, the tubes 2 of the tube bundle are acted upon on their outer circumferential surface with a heat transfer medium which removes or supplies heat in accordance with the catalytic reaction.
Um sämtliche Rohre des Rohrbündels gleichmäßig mit dem Wärme trägermittel zu beaufschlagen, wird dieses in radialer Richtung in das Innere des Behältermantels 1 eingeführt und in radialer Richtung aus dem Behältermantel 1 abgeführt. Zu diesem Zweck sind auf dem Behältermantel 1 Ringkanäle 3a, 3b und 4a, 4b ange ordnet, die jeweils mit einer Pumpe 3 bzw. 4 verbunden sind. Bei beiden Ausführungsbeispielen sind diese Pumpen 3, 4 auf gegen überliegenden Seiten des Behältermantels 1 außenliegend ange ordnet.In order to apply all the tubes of the tube bundle evenly with the heat carrier medium, this is inserted in the radial direction into the interior of the container shell 1 and removed in the radial direction from the container shell 1 . For this purpose, are on the container casing 1 ring channels 3 a, 3 b and 4 a, 4 b arranged, which are each connected to a pump 3 and 4 respectively. In both embodiments, these pumps 3, 4 are arranged on the outside on opposite sides of the container shell 1 .
Jede der Pumpen 3 bzw. 4 betreibt einen separaten Wärmeträger mittel-Kreislauf, wobei sich beide Kreisläufe im Inneren des durch die Rohrböden 2a, 2b begrenzten Reaktionsbehälters über lagern. Bei beiden Ausführungsbeispielen sind einerseits die der Zufuhr dienenden Ringkanäle 3a und 4a und andererseits die der Abfuhr dienenden Ringkanäle 3b und 4b der beiden Wärmeträger mittel-Kreisläufe über Leitungen 5a, 5b an einen gemeinsamen Wärmeübertrager 5 angeschlossen, der seinerseits mit einem wärmeabführenden bzw. wärmeabgebenden Medium beaufschlagt wird. Each of the pumps 3 and 4 operates a separate heat transfer medium circuit, with both circuits in the interior of the reaction vessel delimited by the tube sheets 2 a, 2 b. In both embodiments, on the one hand the ring channels 3 a and 4 a serving the supply and on the other hand the discharge ring channels 3 b and 4 b of the two heat transfer medium circuits via lines 5 a, 5 b are connected to a common heat exchanger 5 , which in turn with a heat-dissipating or heat-emitting medium is applied.
Durch die Verwendung mindestens zweier Pumpen 3 und 4, die über separate Ringkanäle 3a, 3b bzw. 4a, 4b mit dem Reaktionsbehälter zusammenwirken, kann die Leistung des Rohrbündel-Reaktions apparates über einen großen Lastbereich an die jeweiligen Be triebsbedingungen angepaßt werden. Hierbei sind nicht nur die einzelnen Pumpen 3 und 4 hinsichtlich ihrer Durchsatzmenge regelbar; es besteht auch die Möglichkeit, eine der beiden Pumpen 3 bzw. 4 abzuschalten, da das im Kreislauf über den Wärmeübertrager 5 geführte Wärmeträgermittel infolge der An ordnung getrennter Ringkanäle 3a, 3b bzw. 4a, 4b stets gleichmäßig auf die Rohre 2 des Rohrbündels verteilt wird, so daß sich kein schiefes Temperaturprofil im Reaktionsbehälter ergibt, welches örtlich zu unzulässigen Abweichungen von der in engen Grenzen einzuhaltenden jeweiligen Temperatur führen würde.By using at least two pumps 3 and 4 , which cooperate with the reaction vessel via separate ring channels 3 a, 3 b or 4 a, 4 b, the performance of the tube bundle reaction apparatus can be adapted to the respective operating conditions over a wide load range . Not only the individual pumps 3 and 4 can be regulated in terms of their throughput; there is also the possibility of switching off one of the two pumps 3 or 4 , since the heat transfer medium carried in the circuit via the heat exchanger 5 as a result of the arrangement of separate annular channels 3 a, 3 b or 4 a, 4 b always uniformly on the pipes 2 of the tube bundle is distributed so that there is no skewed temperature profile in the reaction vessel, which would lead locally to inadmissible deviations from the respective temperature to be maintained within narrow limits.
Um eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeträgermittels über den gesamten Umfang des Behältermantels 1 zu gewährleisten, sind die Ringkanäle mit in Strömungsrichtung des Wärmeträgermittels kontinuierlich entsprechend der in das Behälterinnere abge führten bzw. der aus dem Behälterinneren hinzutretenden Menge des Wärmeträgermittels ab- bzw. zunehmendem Strömungsquerschnitt ausgeführt, wie die Seitenansichten in den Fig. 1 und 5 deutlich erkennen lassen. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die in den Fig. 3 und 4 erkennbaren Verbindungsöffnungen zwischen den Ringkanälen 3a, 3b bzw. 4a, 4b und dem Inneren des Behältermantels 1 jeweils von annähernd derselben Menge an Wärmeträgermittel durchströmt werden. Der zu- bzw. abnehmende Strömungsquerschnitt erzeugt trotz der über den Umfang ab- bzw. zunehmenden Menge an Wärmeträgermittel eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit im jeweiligen Ringkanal und bewirkt damit eine gleichmäßige Beauf schlagung des Rohrbündels unabhängig vom jeweiligen Lastzustand.In order to ensure a uniform distribution of the heat transfer medium over the entire circumference of the container shell 1 , the annular channels are designed with the flow cross section of the heat transfer medium continuously in accordance with the amount led into the interior of the container or the amount of the heat transfer medium coming in or out of the container interior, as the side views in FIGS. 1 and 5 clearly show. In this way it is ensured that the connection openings recognizable in FIGS . 3 and 4 between the ring channels 3 a, 3 b or 4 a, 4 b and the interior of the container casing 1 are each flowed through by approximately the same amount of heat transfer medium. The increasing or decreasing flow cross-section produces a uniform flow speed in the respective ring channel despite the decreasing or increasing amount of heat transfer medium and thus causes a uniform loading of the tube bundle regardless of the respective load condition.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind die einzelnen Ring kanäle 3a, 3b bzw. 4a, 4b mit in Umfangsrichtung zu- bzw. ab nehmendem Strömungsquerschnitt ausgeführt und getrennt auf der Außenseite des Behältermantels 1 angeordnet; die Ausführungsform nach Fig. 5 zeigt, daß jeweils zwei Ringkanäle durch einen im Querschnitt rechteckigen Kanal gebildet werden können, der durch eine schräg verlaufende Trennwand 6 in zwei voneinander unab hängige Ringkanäle 3a und 4a bzw. 3b und 4b aufgeteilt ist.In the embodiment of Figure 1, the individual ring channels 3 a, 3 b and 4 a, 4 b are executed with increasing or decreasing in the circumferential direction of the flow cross-section and arranged separately on the outside of the container shell 1 ; The embodiment according to FIG. 5 shows that two ring channels each can be formed by a channel with a rectangular cross section, which is divided by an obliquely extending partition 6 into two independent ring channels 3 a and 4 a or 3 b and 4 b.
BezugszeichenlisteReference list
1 Behältermantel
1a Rohrstutzen
1b Rohrstutzen
1c Verteilkammer
1d Sammelkammer
2 Rohr
2a Rohrboden
2b Rohrboden
3 Pumpe
3a Ringkanal
3b Ringkanal
4 Pumpe
4a Ringkanal
4b Ringkanal
5 Wärmeübertrager
5a Leitung
5b Leitung
6 Trennwand 1 container jacket
1 a pipe socket
1 b pipe socket
1 c distribution chamber
1 d collection chamber
2 pipe
2 a tube sheet
2 b tube sheet
3 pump
3 a ring channel
3 b ring channel
4 pump
4 a ring channel
4 b ring channel
5 heat exchangers
5 a line
5 b line
6 partition
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Legal Events
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