DE4444364A1

DE4444364A1 - Festbettreaktor zur kontinuierlichen Durchführung exothermer Reaktionen

Info

Publication number: DE4444364A1
Application number: DE19944444364
Authority: DE
Inventors: Erhard Dr Roschka; Hans-Juergen Dr Reinhardt; Gerhard Bergmann; Ernst-Dieter Prof Dr In Gilles; Goetz Lauschke
Original assignee: CHEMTEC LEUNA GES fur CHEMIE; GILLES ERNST DIETER PROF DR IN
Current assignee: N + N CHEMTEC ENGINEERING LEUNA GMBH, 06237 LEUNA,
Priority date: 1994-12-14
Filing date: 1994-12-14
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2014-12-15
Also published as: DE4444364C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung und Auf rechterhaltung zirkulierender Reaktionszonen, die für exotherme Reaktionen, insbesondere Gasreinigungsverfahren, eingesetzt wird.

Es ist bekannt, daß sich nach dem Zünden einer exothermen Reak tion in einem heterogen-katalytischen Festbett durch Veränderung von Betriebsbedingungen (z. B. Absenkung der Gaseintrittstempera tur, Erhöhung des Gasdurchsatzes) eine Reaktionszone ausbildet, die mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch das Festbett wan dert. Es ist weiterhin bekannt, daß es durch eine geeignete Ge staltung des Reaktors möglich ist, die Energie der aus dem kata lytischen Festbett auslaufenden Reaktionszone in einem Doppel rohrwärmeaustauscher zu nutzen, um eine neue Reaktionszone am Reaktoreingang zu initiieren (DE 37 24 534, DE 42 40 143). Damit kann dann im Reaktor eine zirkulierende Reaktionszone erzeugt werden, die einen periodisch kontinuierlichen Betrieb gewährleistet.

Nachteilig bei den bekannten Reaktoren ist, daß für den inten siven Wärmeaustausch zur Neuzündung der Reaktion relativ große Austauschflächen für den Doppelrohrwärmetauscher erforderlich sind und durch den vorzugsweisen Einsatz von Schüttgutkatalysa toren die Druckverluste durch die größeren Strömungslängen beträchtlich ansteigen können.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu grunde, einen die zirkulierende Reaktionszone gewährleistenden Reaktor mit effektiverem Neuzündungs-/Wärmetauscherbereich zu entwickeln.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung (Fig. 1) näher beschrieben:

Der erfindungsgemäße Reaktor besteht aus einem quaderförmigen Gehäuse mit seitlich angeordneten Ein- und Ausgangsstutzen. Das zu behandelnde Abgas gelangt durch den Gaseintritt 1 in den Reak tor und wird in die katalysatorfreien Innenzwischenräume 2, die durch die senkrecht angeordneten Platten im Reaktor entstehen, so um 90° umgelenkt, daß es in den mit Katalysator gefüllten Bereich der Innenzwischenräume 3 gelangt. Zum Anfahren des Reaktors ist es erforderlich auf Katalysatorzündtemperatur erhitztes Gas (z. B. durch einen elektrischen Spitzenvorheizer oder einen Erdgasbren ner) den Innenzwischenräumen 3 zuzuführen, um die Zersetzungs reaktion zu zünden. Andererseits kann auch der am Anfang der Innenzwischenräume 3 angeordnete Katalysator durch eine entspre chende Heizung auf die erforderliche Temperatur vorgewärmt wer den. Durch die Zuführung von schadstoffbeladenem Abgas mit einer Temperatur unterhalb der Zündtemperatur (im Normalfall Umgebungs temperatur) kommt es zur Ausbildung einer Reaktionszone, die sich in Strömungsrichtung bewegt. Während dieses Anfahrvorganges ist es zweckmäßig, das gereinigte Gas an dem Abführstutzen 4 abzu leiten. Kurz bevor die Reaktionszone das obere Ende der Innenzwi schenräume 3 erreicht hat, ist die Abführung an der Stelle 4 zu unterbinden, so daß das Gas über den oberen Übergangsraum 5 zu den beiden seitlich angeordneten Überströmkanälen 6 geführt wird. Diese Überströmkanäle sind vorzugsweise mit einem Wabenkatalysa tor gefüllt, können aber auch leer sein oder entsprechend des zu erwartenden Schadstoffbereiches im zu reinigenden Gas Schüttgut katalysatoren enthalten. Falls diese Überströmkanäle 6 mit Kata lysator bestückt sind, bildet sich hier auch eine wandernde Reak tionszone aus. Bei leeren Überströmkanälen wird die Reaktionszone mit Strömungsgeschwindigkeit in den unteren Übergangsraum 7 transportiert. Von hier tritt das heiße Gas der Reaktions zone in die mit Katalysator gefüllten Außenzwischenräume 8 ein. Außen- und Innenzwischenräume wechseln sich durch die eingebauten Trennwände in Form eines Plattenwärmetauschers miteinander ab. Diese Außenzwischenraume sind untergliedert in eine Vorreaktions zone, die bis zum Beginn der mit Katalysator bestückten Innen zwischenräume reicht, und in eine Neuzündungszone, bei der in Innen- und Außenzwischenräumen Katalysator angeordnet ist. Der ebenfalls mit Katalysator gefüllte Bereich der Innenzwischenräume außerhalb der Neuzündungszone wird als Nachreaktionszone bezeich net. Während in der Vor- und Nachreaktionszone zweckmäßigerweise Waben- oder Schüttgutkatalysatoren anzuordnen sind, hat es sich als günstig erwiesen, in der Neuzündungszone katalytisch be schichtete statische Mischer einzusetzen. Es können aber auch Schüttungen aus katalytisch beschichteten Füllkörpern oder Metallnetze oder handelsübliche Schüttgutkatalysatoren verwendet werden. Das Verhältnis Plattenabstand zu Länge der Neuzündungs zone liegt vorteilhaft im Bereich zwischen 0,1 und 0,25, während im Bereich der Vor- und Nachreaktionszone das Verhältnis Platten abstand zur Länge jeweils im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 günstig ist.

In der Vorreaktionszone der Außenzwischenräume erfolgt die not wendige Stabilisierung der Reaktionszone vor Eintritt in die Neu zündungszone. Wegen des guten Wärmeaustausches von statischen Mischern mit einem Wärmetransport senkrecht zur Strömungsrichtung bzw. zu den Wänden erwärmt die im Bereich der Außenzwischenräume in die Neuzündungszone einlaufende Reaktionszone die Innenzwi schenräume mit dem dort angeordneten Katalysator soweit, daß hier die Zersetzungsreaktion gezündet wird. Mit dieser Neuzündung der Reaktion im Bereich des Gaseintritts in den Reaktor bildet sich eine neue wandernde Reaktionszone aus, in der das mit Umge bungstemperatur eintretende schadstoffbeladene Abgas gereinigt wird. Gleichzeitig damit verlöscht die in den Außenzwischenräumen vorhandene Reaktionszone wegen Schadstoffmangel. Über den kataly satorfreien Bereich der Außenzwischenräume 9 wird das gereinigte Abgas zum Ausgangsstutzen des Gasaustritts 10 umgelenkt. Durch die so erzielte Neuzündung wird im Reaktor eine zirkulierende Reaktionszone erzeugt, die eine stetige Zersetzung von Schad stoffen in Abgasströmen gewährleistet.

Bei Zuführung von Abgas mit höheren Schadstoffgehalten (ab etwa 0,4 Vol% in Abhängigkeit von der Leerrohrgeschwindigkeit und der Schadstoffart) stellt sich im Reaktor infolge der vorhandenen Wärmerückkopplung ein stationäres Betriebsregime ein. In diesem Fall kann im Bereich der Neuzündungszone in den Innenzwischenräu men 3 inertes Material (statische Mischer, Füllkörperschüttungen usw.) eingesetzt werden. In den Überstromkanälen können zweck mäßigerweise dann Wabenkatalysatoren bzw. Schüttgutkatalysatoren angeordnet werden.

Von Vorteil ist die einfache Geometrie des erfindungsgemäßen Reaktors, die den Einsatz geordneter druckverlustarmer Katalysa torträgerstrukturen gestattet. Die kompakte Plattenbauweise des katalysatorgefüllten Wärmeüberträgers ermöglicht eine effektive Neuzündung und senkt den spezifischen Katalysatorverbrauch dieses Reaktors.

Bezugszeichenliste

1 Gaseintritt
2 katalysatorfreier Innenzwischenraum
3 mit Katalysator gefüllter Innenzwischenraum
4 Abführstutzen
5 oberer Übergangsraum
6 Überströmkanäle
7 unterer Übergangsraum
8 mit Katalysator gefüllter Außenzwischenraum
9 katalysatorfreier Außenzwischenraum
10 Gasaustritt

Claims

1. Festbettreaktor zur kontinuierlichen Durchführung exothermer Reaktionen, insbesondere Gasreinigungsverfahren, der in seinem Aufbau einen Wärmetauscher beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor aus einem quaderförmigen Gehäuse mit seitlich angeordnetem Stutzen für den Gaseintritt (1), auf der gegen überliegenden Seite entsprechend angeordnetem Stutzen für den Gasaustritt (10) und einem Stutzen (4) zum Abführen des ge reinigten Gases beim Anfahren besteht, wobei der Gaseintritt (1) mit katalysatorfreien Innenzwischenräumen (2), gebildet durch senkrecht in der Reaktormitte in Form eines Platten wärmetauschers angeordnete Trennwände, verbunden ist, an welche sich innerhalb dieser Trennwände oder Platten mit Katalysator gefüllte Innenzwischenräume (3) anschließen, die in einen oberen Obergangsraum (5) münden, der durch seitlich zwischen der Gehäuseaußenwand und den Platten im Inneren gebildete Überströmkanäle (6) mit einem unteren Übergangsraum (7) verbunden ist, welcher wiederum Einmün dungen aufweist in die durch die Platten gebildeten und mit Katalysator gefüllten Außenzwischenräume (8), welche in katalysatorfreie Außenzwischenräume (9) übergehen, die mit dem Gasaustritt (10) verbunden sind.

2. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Außenzwischenräume untergliedert sind in eine Vorreaktions zone, die bis zum Beginn der mit Katalysator bestückten Innenzwischenräume reicht, und in eine Neuzündungszone, bei der in Innen- und Außenzwischenräumen Katalysator angeordnet ist, und der ebenfalls mit Katalysator gefüllte Bereich der Innenzwischenräume die Nachreaktionszone ist.

3. Festbettreaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Plattenabstand zur Länge der Neuzündungs zone im Bereich zwischen 0,1 und 0,25 und für die Vor- und Nachreaktionszone das Verhältnis Plattenabstand zur Länge je weils im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 liegt.

4. Festbettreaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vor- und Nachreaktionszone Waben oder Schüttgutka talysatoren angeordnet sind.

5. Festbettreaktor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Neuzündungszone katalytisch beschichtete statische Mischer angeordnet sind.

6. Festbettreaktor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Neuzündungszone Schüttungen aus katalytisch be schichteten Füllkörpern oder Metallnetze oder handelsübliche Schüttgutkatalysatoren angeordnet sind.

7. Festbettreaktor nach Anspruch 1 bis 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Uberströmkanäle in Abhängigkeit vom zu er wartenden Schadstoffbereich des zu reinigenden Gases mit Wa ben- oder Schüttgutkatalysatoren gefüllt oder leer sind.