DE4444364C2 - Festbettreaktor zur kontinuierlichen Durchführung exothermer Reaktionen - Google Patents

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.

Erfindungsgemäß wird das Problem durch den im Patentanspruch 1 beschrie­ benen Festbettreaktor gelöst.

Die Unteransprüche 2 bis 4 geben bevorzugte Ausführungsformen an.

Es war nicht Aufgabe der Erfindung, das in der DE 42 40 143 verankerte Prinzip der Reaktionsdurchführung und -zirkulation in einer durch Kreislaufleitung verbun­ denen Wärmetauscher- und Reaktorsektion neu zu erfinden, sondern es war unter Beibehaltung dieses Prinzips ein Reaktor zu entwickeln mit einem effektiveren Neuzündungs-/Wärmetauscherbereich.

Gegenüber dem Reaktor mit leerem Überströmkanal aus der DE 42 40 143 werden für den erfindungsgemäßen Reaktor mit Katalysatorwaben oder Schüttgutkatalysa­ toren gefüllte Überströmkanäle beansprucht, die zu einer Verbesserung des Betriebsverhaltens einen wesentlichen Beitrag liefern. So wird mit dieser Maßnahme der zur Verfügung stehende Reaktionsraum bei gleichzeitig geringem Druckverlust und geringer Rückvermischung sowie bei Verringerung von Wärmeverlusten besser ausgenutzt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung (Fig. 1) näher beschrie­ ben.

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 Reaktor 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 Erdgasbrenner) den Innenzwischenräumen 3 zuzu­ führen, um die Zersetzungsreaktion zu zünden. Andererseits kann auch der am Anfang der Innenzwischenräume 3 angeordnete Katalysator durch eine entspre­ chende Heizung auf die erforderliche Temperatur vorgewärmt werden. Durch die Zuführung von schadstoffbeladenem Abgas mit einer Temperatur unterhalb der Zündtemperatur (im Normalfall Umgebungstemperatur) kommt es zur Ausbildung einer Reaktionszone, die sich in Strömungsrichtung bewegt. Während dieses Anfahrvorganges ist es zweckmäßig, das gereinigte Gas an dem Abführstutzen 4 abzuleiten. Kurz bevor die Reaktionszone das obere Ende der Innenzwischen­ räume 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 Wabenkatalysator gefüllt, können aber auch Schüttgutkatalysatoren ent­ halten. In diesen Überströmkanälen 6 bildet sich auch eine wandernde Reaktions­ zone aus. Das Gas wird dann 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 Außenzwischenräume sind untergliedert in eine Vorreaktionszone, die bis zum Beginn der mit Katalysator bestückten Innenzwischenräume reicht, und in eine Neuzündungszone, bei der in Innen- und Außenzwischenräumen Katalysator angeordnet ist. Der ebenfalls mit Katalysator gefüllte Bereich der Innenzwischenräume außerhalb der Neu­ zündungszone wird als Nachreaktionszone bezeichnet. Während in der Vor- und Nachreaktionszone zweckmäßigerweise Waber-oder Schüttgutkatalysatoren anzuordnen sind, hat es sich als günstig erwiesen, in der Neuzündungszone katalytisch beschichtete statische Mischer einzusetzen. Es können aber auch Schüttungen aus katalytisch beschichteten Füllkörpern oder Metallnetze verwendet werden. Das Verhältnis Plattenabstand zu Länge der Neuzündungszone liegt im Bereich zwischen 0,1 und 0,25, während im Bereich der Vor- und Nachreaktionszone das Verhältnis Plattenabstand zur Länge jeweils im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 günstig ist.

In der Vorreaktionszone der Außenzwischenräume erfolgt die notwendige Stabilisierung der Reaktionszone vor Eintritt in die Neuzündungszone. 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 Innenzwischenräume 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 Umgebungstemperatur eintretende schadstoffbeladene Abgas gereinigt wird. Gleichzeitig damit verlöscht die in den Außenzwischenräumen vorhandene Reaktionszone wegen Schadstoffmangel. Über den katalysatorfreien Bereich der Außenzwischenräume 9 wird das gereinigte Abgas zum Ausgangs­ stutzen des Gasaustritts 10 umgelenkt. Durch die so erzielte Neuzündung wird im Reaktor eine zirkulierende Reaktionszone erzeugt die eine stetige Zersetzung von Schadstoffen 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 Betriebs­ regime ein. In den Überströmkanälen können zweckmäßigerweise Wabenkataly­ satoren bzw. Schüttgutkatalysatoren angeordnet werden.

Von Vorteil ist die einfache Geometrie des erfindungsgemäßen Reaktors, die den Einsatz geordneter druckverlustarmer Katalysatorträgerstrukturen 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 Obergangsraum
6 Überströmkanäle
7 unterer Obergangsraum
8 mit Katalysator gefüllter Außenzwischenraum
9 katalysatorfreier Außenzwischenraum
10 Gasaustritt

Claims (4)

1. Festbettreaktor zur kontinuierlichen Durchführung exothermer Reaktionen, ins­ besondere Gasreinigungsverfahren, der in seinem Aufbau einen Wärmetauscher beinhaltet, wobei der Reaktor aus einem quaderförmigen Gehäuse mit seitlich angeordnetem Stutzen für den Gaseintritt (1), auf der gegenüberliegenden Seite entsprechend angeordnetem Stutzen für den Gasaustritt (10) und einem Stutzen (4) zum Abführen des gereinigten Gases beim Anfahren besteht, wobei der Gaseintritt (1) mit katalysatorfreien Innenzwischenräumen (2), gebildet durch senkrecht in der Reaktormitte in Form eines Plattenwärmetauschers angeordnete Trennwände, verbunden ist, an welche sich innerhalb dieser Trennwände oder Platten mit Katalysator gefüllte Innenzwischenräume (3) anschließen, die in einen oberen Übergangsraum (5) münden, der durch seitlich zwischen der Gehäuseaußenwand und den Platten im Inneren gebildete, mit Katalysator bestückte Überstromkanäle (6) mit einem unteren Übergangsraum (7) verbunden ist, welcher wiederum Einmündungen aufweist in die durch die Platten gebildeten und mit Katalysator gefüllten Außenzwischenräume (8), welche in katalysator­ freie Außenzwischenräume (9) übergehen, die mit dem Gasaustritt (10) verbun­ den sind, wobei die Außenzwischenräume (9) untergliedert sind in eine Vor­ reaktionszone, die bis zum Beginn der mit Katalysator bestückten Innenzwischen­ räume (3) reicht, und in eine Neuzündungszone, bei der in Innen- und Außen­ zwischenräumen Katalysator angeordnet ist, und wobei ferner ein zum oberen Übergangsraum (5) hin reichender, ebenfalls mit Katalysator gefüllter Bereich der Innenzwischenräume (3) eine Nachreaktionszone darstellt, und daß das Ver­ hältnis Plattenabstand zur Länge der Neuzündungszone im Bereich zwischen 0,1 und 0,25 und für die Vor- und Nachreaktionszone das Verhältnis Platten­ abstand zur Länge jeweils im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 liegt.

2. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vor- und Nachreaktionszone Waben- oder Schüttgutkatalysatoren angeordnet sind.

3. Festbettreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Neuzündungszone Schüttungen aus katalytisch beschichteten Füllkörpern oder Metallnetze oder katalytisch beschichtete statische Mischer angeordnet sind.

4. Festbettreaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmkanäle in Abhängigkeit vom zu erwartenden Schadstoffbereich des zu reinigenden Gases mit Waben- oder Schüttgutkatalysatoren gefüllt sind.