DE4446359A1 - Verfahren zur in-situ-Modernisierung eines heterogenen exothermen Synthesereaktors, insbesondere eines sogenannten Kellog-Reaktors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur in- situ-Modernisierung eines Reaktors für heterogene exotherme Synthesevorgänge, insbesondere eines sogenannten Kellogg- Reaktors, der einen äußeren Mantel aufweist, in dem mehrere übereinanderliegende Katalysatorbetten mit Abstand zuein­ ander gehalten werden.

Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Modernisie­ rungsverfahren, welches die folgenden Vorschritte umfaßt:

• - Vorsehen eines ersten und eines zweiten Katalysatorbettes in einem oberen Abschnitt des Man­ tels und mindestens eines dritten Bettes in einem unteren Abschnitt des Mantels,
• - Ausstatten jedes Bettes mit einer Vorrichtung zum Zuführen eines radialen oder axial-radialen Reagenz­ gasstromes zu dem Bett, und
• - Vorsehen eines ersten Gas/Gas-Wärmetauschers zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysatorbett.

In der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen bedeu­ tet der Begriff "in-situ"-Modernisierung die Modifikation eines bereits existierenden-Reaktors vor Ort, um seine Funktionsfähigkeit zu verbessern und um beispielsweise eine Produktionskapazität und/oder eine Umwandlungsausbeute zu erreichen, welche mit denen eines neugebauten Reaktors ver­ gleichbar sind.

In der auf diesem Gebiet üblichen Terminologie wird diese Art der Modernisierung auch als Nachrüsten oder Erneuern bezeichnet.

Wie bekannt, ist es auf dem Gebiet der heterogenen exother­ men Synthese allgemein und spezieller bei der Erzeugung von Ammonium und Methanol notwendig, zwei Anforderungen zu er­ füllen, nämlich einerseits die Produktionskapazität bereits existierender Synthesereaktoren zu erhöhen und andererseits eine Verbesserung der Umwandlungsausbeute und eine Vermin­ derung des Energieverbrauchs des Reaktors zu erreichen.

Stand der Technik

Um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen, wurden die sogenannten Verfahren zur Modernisierung von vorhandenen Reaktoren immer akzeptierter, weil mit ihnen das kostspie­ lige Ersetzen der Reaktoren vermieden werden kann und gleichzeitig die maximale Umwandlung erreicht wird, welche mit den verfügbaren Katalysatorvolumen verträglich ist.

Ein erstes Modernisierungsverfahren, welches sich auf das Ersetzen der Katalysatorbetten der vorhandenen Reaktoren durch neue Betten mit hoher Ausbeute durch radiale oder axial-radiale Einspeisung stützt, ist beispielsweise in der US-A- 4,755,36 2 derselben Anmelderin beschrieben.

Bei diesen Verfahren werden die Zwischenkühlungen zwischen den verschiedenen Katalysatorbetten - welche unter thermo­ dynamischen Gesichtspunkten zur Unterstützung der exother­ men Synthesereaktion notwendig sind - in dem modernisierten Reaktor dadurch ausgeführt, daß kalte Reagenz- oder Ab­ schreckgase ("Quench"-Gase) beigemischt werden.

Die Kühlung durch direktes Mischen mit Gasen, welche noch nicht reagiert haben, bringt jedoch unvermeidlich eine Ver­ dünnungswirkung mit sich, wobei die Konzentration der Reak­ tionsprodukte in den Gasen, welche den Reaktor verlassen, und demzufolge die Umwandlungs-Endausbeute entsprechend abnehmen.

Gemäß der US-A-4,963,338 und der US-A-5,254,316 sollte die­ ser Nachteil dadurch geheilt werden, daß in dem moderni­ sierten Reaktor mindestens eine indirekte Kühlung der zwi­ schen den Katalysatorbetten strömenden Gase vorgesehen wur­ de.

Diese indirekte Kühlung wurde in einem Gas-Gas-Wärmetau­ scher durchgeführt, der entweder in einem Zwischenkatalysa­ torbett oder in den beiden obersten Katalysatorbetten un­ tergebracht wurde.

Obwohl durch diese Modernisierungsverfahren eine Erhöhung der Produktionskapazität und eine Verminderung des Energie­ verbrauchs erreicht werden, haben die Schwierigkeiten beim Verändern der bereits vorhandenen Reaktorstruktur es ande­ rerseits nicht möglich gemacht, die Abschreck-Zwischenküh­ lungen ganz zu vermeiden oder wenigstens ihre Anzahl weiter zu vermindern.

Im Falle von heterogenen Synthesereaktoren, welche soge­ nannte Kellogg-Reaktoren sind, ist es besonders schwierig, diesen Nachteil zu überwinden, weil deren strukturelle Ei­ genschaften bei der Modernisierung eine Reihe von Ein­ schränkungen mit sich bringen, welche es extrem schwierig machen, zusätzliche Wärmetauscher für die indirekte Kühlung der zwischen den Katalysatorbetten strömenden Gase einzufü­ gen.

Ein erster Faktor, der das Einfügen von zusätzlichen Wärme­ tauschern zwischen Katalysatorbetten schwierig macht, hängt damit zusammen, daß es unmöglich ist, die Höhe der Kataly­ satorbetten an die Bauhöhe der Wärmetauscher anzupassen.

Die Position der Bodenplatten, welche die Katalysatorbetten tragen, kann in der Praxis nicht willkürlich verändert wer­ den, ohne die Ausbeute bei diesem Aufbau ernsthaft zu ge­ fährden.

Ein zweiter Faktor, welcher das Einfügen von zusätzlichen Wärmetauschern zwischen die Katalysatorbetten schwierig macht, hängt mit der begrenzten Größe von vorhandenen Ein­ stiegsöffnungen ab, wodurch eine unüberwindliche Grenze für die Durchmesser der Wärmetauscher gesetzt ist, welche zwi­ schen die Katalysatorbetten eingefügt werden können.

Allein schon aufgrund dieser begrenzenden Faktoren haben die im Stand der Technik vorgeschlagenen Modernisierungs­ verfahren noch nicht das Problem gelöst, die Umwandlungs­ ausbeute durch eine geeignete Verminderung der Anzahl der indirekten oder Abschreck-Zwischenkühlungen zu erhöhen.

Zusammenfassung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Pro­ blem zugrunde, ein Verfahren zum Modernisieren eines hete­ rogenen exothermen Synthesereaktors, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich eines sogenannten Kellogg-Reaktors vorzusehen, mit dem eine weitergehende Erhöhung der Umwand­ lungsausbeute erreicht werden kann als bei den Modernisie­ rungsverfahren gemäß dem oben beschriebenen Stand der Tech­ nik.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren der oben erläuter­ ten Art gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

• - Vorsehen einer Vorrichtung zum indirekten Kühlen der zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysatorbett in dem ersten Wärmetauscher strömenden Gase,
• - Vorsehen eines zweiten Gas/Gas-Wärmetauschers in dem dritten Katalysatorbett und
• - Vorsehen einer Vorrichtung zum indirekten Kühlen der zwischen dem zweiten und dem dritten Katalysatorbett in dem zweiten Wärmetauscher strömenden Gase.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hat den Vor­ teil, daß ohne Veränderung der äußeren Struktur ein aus thermodynamischen Gesichtspunkten leistungsfähigerer Reak­ tor erzielt werden kann, in dem die Verdünnungseffekte ver­ mieden werden, welche sich aus der Zwischen-Abschreckküh­ lung der zwischen den Katalysatorbetten strömenden Gase ergeben.

Bei einer bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Modernisierungsverfahrens sind die Gas/Gas- Wärmetauscher für die indirekte Kühlung der Reaktionspro­ dukte in und koaxial zu den Katalysatorbetten angeordnet, wobei die von den ringförmigen Katalysator-Tragkörben zen­ tral innerhalb der Betten abgegrenzten Räume ausgenutzt werden.

Auf diese Weise werden sowohl die thermodynamische Konfigu­ ration des Reaktors als auch die Ausnutzung der vorhandenen Volumen, welche vorteilhaft für die Unterbringung entweder des Katalysators oder der Wärmetauscher ausgenutzt werden, optimiert, wobei die Wärmetauscher für die indirekte Gas­ kühlung zwischen den Katalysatorbetten ausgelegt sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste und der zweite Gas/Gas-Wärmetauscher in dem oberen Katalysator­ bett bzw. in dem unteren Katalysatorbett vorgesehen und auf der Rohrseite miteinander in Reihe geschaltet.

Bei dieser Ausführungsform kühlt der erste Wärmetauscher die Reaktionsprodukte, welche das erste Katalysatorbett verlassen, mit Hilfe eines Kühlfluids, welches im wesentli­ chen aus einem gasförmigen Gemisch besteht und gasförmige Reagenzien enthält, welche teilweise von außen zugeführt werden und teilweise von dem darunter liegenden zweiten Wärmetauscher kommen, in dem sie teilweise erwärmt werden.

Aufgrund dieses Merkmals ermöglicht das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine extrem flexible und wirkungs­ volle Temperatursteuerung der Gase, welche sowohl dem zwei­ ten als auch dem dritten Katalysatorbett zugeführt werden, indem einfach die Durchflußraten der kalten gasförmigen Re­ agenzien, welche dieses Gemisch bilden, eingestellt werden.

Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Durchführen heterogener exo­ thermer Synthesereaktionen mit einer hohen Umwandlungsaus­ beute vorgeschlagen, welches die folgenden Verfahrens­ schritte umfaßt:

• - Zuführen von gasförmigen Reagenzien zu einem Synthe­ sereaktor, in dem mindestens drei übereinanderliegen­ de Katalysatorbetten mit Abstand zueinander gehalten werden,
• - Reagierenlassen der gasförmigen Reagenzien in den Katalystorbetten und
• - Abziehen der Reaktionsprodukte, welche das letzte Katalysatorbett verlassen, von dem Synthesereaktor,

welches durch die folgenden zusätzlichen Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

• - Zuführen des Reaktionsgemisches, welches das erste Katalysatorbett verläßt, zu einem ersten Wärmetau­ scher, welcher sich koaxial in dem ersten und dem zweiten Katalysatorbett erstreckt,
• - Kühlen des Reaktionsgemisches in dem ersten Wärmetau­ scher,
• - Zuführen des so erhaltenen gekühlten Reaktionsgemi­ sches zu dem zweiten Katalysatorbett,
• - Zuführen des Reaktionsgemisches, welches das zweite Katalysatorbett verläßt, zu einem zweiten Wärmetau­ scher, der sich koaxial in dem letzten Katalysator­ bett erstreckt,
• - Kühlen des Reaktionsgemisches in dem zweiten Wärme­ tauscher und
• - Zuführen des so erhaltenen gekühlten Reaktionsgemi­ sches zu dem letzten Katalysatorbett.

Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines Modernisierungsverfahrens gemäß der vorliegenden Er­ findung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert, ohne die Erfindung dadurch zu beschränken. In den Figuren zei­ gen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen herkömmlichen Kellogg-Reaktor zum Durchführen heterogener exothermer Synthesereaktionen und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Reaktor, der durch Modifizieren des Kellogg-Reaktors von Fig. 1 mit dem Modernisierungsverfahren ge­ mäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird.

In Fig. 1 bezeichnet eine Bezugszahl 1 einen sogenannten Kellogg-Reaktor zum Bewirken heterogener exothermer Synthe­ sereaktionen bei hohem Druck, beispielsweise für die Pro­ duktion von Ammonium.

Der Reaktor 1 umfaßt einen rohrförmigen Behälter oder einen Mantel 2, der oben durch eine glockenförmige Abdeckung 3 geschlossen ist und am Boden eine Öffnung 4 zum Zuführen der Reagenzgase aufweist.

Eine Patrone oder Kartusche 5, welche vier Katalysatorbet­ ten L1, L2, L3 und L4 enthält, die übereinanderliegend mit Abstand zueinander angeordnet sind, wird auf bekannte Weise in dem Mantel 2 gehalten.

Ein im wesentlichen ringförmiger Luftraum oder Luftring 6, der durch die Kartusche 5 und den Mantel 2 bestimmt wird, erstreckt sich zwischen der Öffnung 4 und einem Gas/Gas- Wärmetauscher 7, der zum Vorwärmen der Reagenzgase ausge­ legt ist und seinerseits auf herkömmlich Weise innerhalb der Abdeckung 3 gehalten wird.

Der Reaktor 1 weist auch mehrere ringförmige oder Toroid- Verteiler 8a bis 8d zum Zuführen von kalten oder Abschreck- Reagenzgasen stromaufwärts von jedem Katalysatorbett L1 bis L4 auf.

Eine Rohrleitung 9, welche sich koaxial innerhalb der Kata­ lysatorbetten L1 bis L4 erstreckt, ist in dem Reaktor 1 zum Zuführen der Reaktionsprodukte, welche das unterste Kataly­ satorbett L4 verlassen, zu dem Gas/Gas-Wärmetauscher 7 vor­ gesehen, welcher diese kühlt, bevor sie endgültig durch eine Öffnung 10 abgezogen werden.

In Fig. 1 zeigen die Pfeile F die verschiedenen Strömungs­ pfade an, welche die Gase längs des Luftraumes 6 und durch die Katalysatorbetten L1 bis L4 und den Wärmetauscher 7 nehmen.

Fig. 2 zeigt einen heterogenen exothermen Synthesereaktor, welcher durch Modifizieren des Reaktors von Fig. 1 gemäß einem Modernisierungsverfahren nach der vorliegenden Erfin­ dung erhalten wird.

In dieser Figur sind die Einzelheiten des Reaktors 1, wel­ che zu den in Fig. 1 gezeigten strukturell und funktionell äquivalent sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht weiter beschrieben.

Gemäß eines Vorschrittes der vorliegenden Erfindung wird die Kartusche 5 des Reaktors 1 zunächst von ihrem Inhalt befreit und mit axial-radialen Katalysatorbetten 11, 12 und 13 ausgestattet.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Ver­ fahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine optimale Verteilung der Katalysatorvolumen erreicht, indem die Kata­ lysatorbetten 11 und 12 in einem oberen Abschnitt 2a des Mantels 2 angeordnet werden, wobei die vorhandenen Unter­ stützungen für die ursprünglichen Betten L1 und L2 verwen­ det werden, während das Katalysatorbett 13 einen unteren Abschnitt 2b des Mantels 2 besetzt, in dem zuvor die Betten L3 und L4 untergebracht waren.

Jedes der Katalysatorbetten 11 bis 13 ist ferner mit einer bekannten Vorrichtung zum Erzielen eines radialen oder axi­ al-radialen Gasstromes durch diese ausgestattet. Diese Vor­ richtungen können beispielsweise ringförmige Katalysator­ körbe 14, 15 und 16 aufweisen, welche für den Gaseinlaß und -auslaß gegenüberliegende geeignet perforierte gasdurchläs­ sige Wände haben.

Vorrichtungen dieser Art zum Vorsehen eines axial-radialen Gasstromes in den Katalysatorbetten sind beispielsweise in der US-A-4,755.362 beschrieben, auf deren Beschreibung hier ausdrücklich Bezug genommen wird, und die Teil der Offenba­ rung der vorliegenden Anmeldung bildet.

In einem weiteren Schritt des vorliegenden Moder­ nisierungsverfahrens wird ein Gas/Gas-Wärmetauscher 18 zwischen den Katalysatorbetten 11 und 12 angeordnet, die in dem oberen Abschnitt 2a des Mantels 2 untergebracht sind.

Der Wärmetauscher 18 wird vorzugsweise in und koaxial zu den Betten 11 und 12 angeordnet, wobei die von den ring­ förmigen Körben 14 und 15 in der Mitte jedes Bettes defi­ nierten Öffnungen ausgenutzt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum indirekten Kühlen der zwischen der oberen Katalysatorbetten 11 und 12 strömenden Gase in dem Wärmetauscher 18 an­ geordnet.

Diese Vorrichtung umfaßt eine Rohrverschachtelung oder -an­ ordnung 19, welche in einem rohrförmigen Gehäuse 22 unter­ gebracht ist und gegenüberliegende Gaseinlaß- und Gasaus­ laßöffnungen 20 und 21 auf der Gehäuseseite aufweist, sowie eine Vorrichtung zum Zuführen kalter gasförmiger Reagentien zu einer Gaseinlaßöffnung 23 auf der Rohrseite des Wärme­ tauschers 18.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Gaseinlaßöffnung 20 in der Rohranordnung 19 über einen ringförmigen Luftraum oder Luftring 24 in Fluidverbindung mit dem Katalysatorbett 11, wobei der Luftring durch die Außenwand des rohrförmigen Gehäuses 22 und die Gasauslaßwand des Korbes 14 begrenzt wird.

Die Gasauslaßöffnung 21 der Rohranordnung 19 ist ihrerseits über einen zweiten ringförmigen Luftraum oder Luftring 25 mit dem Katalysatorbett 12 in Fluidverbindung, wobei der Luftring durch das rohrförmige Gehäuse 22 und eine sich zwischen der Rohranordnung 19 und dem Korb 15 erstreckenden koaxialen Wand 26 begrenzt wird.

Bei der gezeigten Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung zum Zuführen der kalten gasförmigen Reagenzien zu der rohr­ seitigen Öffnung 23 des Wärmetauschers 18 eine Rohrleitung 27, die sich zwischen dieser Öffnung und der Einlaßöffnung 28 für kalte gasförmige Reagenzien erstreckt.

Bei einem weiteren Schritt des vorliegenden Moder­ nisierungsverfahrens wird ein zweiter Gas/Gas-Wärmetauscher 29 in dem dritten Katalysatorbett 13 angeordnet, welches in dem unteren Abschnitt 2b des Mantels 2 untergebracht ist.

Der Wärmetauscher 29 ist vorzugsweise in und koaxial zu dem Bett 13 angeordnet, wobei die durch den ringförmigen Korb 16 in der Mitte des Bettes bestimmte Öffnung ausgenutzt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum indirekten Kühlen der zwischen den Katalysatorbetten 12 und 13 strömenden Gase in dem Wärmetauscher 29 angeordnet.

Diese Vorrichtung umfaßt eine Rohrschachtelung oder Rohranordnung 30, welche in einem rohrförmigen Gehäuse 31 untergebracht ist und auf der Gehäuseseite gegenüberliegen­ de Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen 32 und 33 aufweist, sowie eine Vorrichtung zum Zuführen der kalten gasförmigen Reagenzien zu einem rohrseitigen Gaseinlaßtrakt 37 des Wär­ metauschers 29.

Gemäß der vorliegenden Erfindung steht die Gaseinlaßöffnung 32 über einen im wesentlichen ringförmigen Gasdurchlaß 34 mit dem Katalysatorbett 12 in Fluidverbindung, wobei sich der Gasdurchlaß koaxial zu dem Reaktor 1 zwischen dem Bett 12 und der Rohranordnung 30 erstreckt.

Die Gasauslaßöffnung 33 steht ihrerseits über einen ring­ förmigen Luftraum oder Luftring 35 mit dem Katalysatorbett 13 in Fluidverbindung, wobei der Luftring von dem rohr­ förmigen Gehäuse 31 und einer sich zwischen der Rohranordnung 30 und dem Korb 16 erstreckenden koaxialen Wand 36 begrenzt wird.

Bei dem gezeigten Beispiel umfaßt die Vorrichtung zum Zu­ führen der kalten gasförmigen Reagenzien zu dem Trakt 37 eine oder mehrere Rohrleitungen 38, welche sich zwischen einer Einlaßöffnung 39 für die kalten gasförmigen Reagen­ tien und der Einlaßöffnung des Traktes erstrecken.

Gemäß eines vorteilhaften Merkmals der vorliegenden Erfin­ dung sind die Gas/Gas-Wärmetauscher 18 und 29 auf der Rohr­ seite, beispielsweise über eine Labyrinthverbindung 40 mit­ einander in Reihe geschaltet.

Am Ende der obigen Schritte werden Gaspfade innerhalb des Reaktors 1 definiert, welche das Kühlen der heißen Reak­ tionsprodukte, welche die Katalysatorbetten 11 und 12 ver­ lassen, erlauben, in dem ausschließlich ein indirekter Wär­ meaustausch eingesetzt wird.

Mit dem so modernisierten Reaktor 1 können heterogene exo­ therme Synthesereaktionen auf die folgende Weise mit einer hohen Umwandlungsausbeute durchgeführt werden.

Die gasförmigen Reagenzien, welche durch die Öffnung 4 in den Reaktor 1 eingespeist werden, gehen durch den Luftraum 6, werden in dem Wärmetauscher 7 vorgewärmt und werden dann dem ersten Katalysatorbett 11 zugeführt.

Die Temperatur der gasförmigen Reagenzien, welche dem er­ sten Katalysatorbett 11 zugeführt werden, wird durch einen ersten Teil der kalten gasförmigen oder Abschreck-Reagen­ zien, welche über den Verteiler 8a in den Reaktor 1 einge­ speist werden, und durch einen zweiten Teil der in den Wär­ metauschern 18 und 29 vorgewärmten gasförmigen Reagenzien, wie unten erläutert, auf die gewünschten Werte gebracht.

Das Reaktionsgemisch, welches das Katalysatorbett 11 ver­ läßt, das von einem zentripetalen axial-radialen Strom überquert wird, wird dann in dem Luftraum 24 gesammelt und dem Wärmetauscher 18 zugeführt, in dem es durch einen in­ direkten Wärmeaustausch gekühlt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die teilweise Kühlung des Gemisches, welches auf der Gehäuseseite in dem Wärme­ tauscher 18 strömt, mittels eines kälteren Kühlfluids be­ wirkt, welches im Gegenstrom auf der Rohrseite fließt.

Erfindungsgemäß besteht dieses Kühlfluid im wesentlichen aus einem Gemisch aus gasförmigen Reagenzien, welche teilweise über die Leitung 27 von außen kommen und teilwei­ se von dem darunterliegenden Wärmetauscher 29 kommt, indem sie teilweise erwärmt worden sind, wie weiter unten genauer erläutert ist.

Das so gekühlte Reaktionsgemisch wird dann dem nächsten Katalysatorbett 12 zugeführt, nachdem es durch dem Luftraum 25 geströmt ist.

Von dem Katalysatorbett 12, welches von einem zentripetalen axial-radialen Strom überquert wurde, tritt ein zweites Reaktionsgemisch aus, das weiter mit Reaktionsprodukten angereichert ist, welches durch den Gaspfad 34 zu dem Wär­ metauscher 29 gespeist wird, wo es durch einen indirekten Wärmeaustausch teilweise gekühlt wird, bevor es zu dem dritten und letzten Katalysatorbett 13 gesandt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung läuft die Teilkühlung des das zweite Katalysatorbett 12 verlassenden Reaktionsgemi­ sches, welches den Wärmetauscher 29 auf der Gehäuseseite durchströmt, unter Verwendung eines kühleren Kühlfluids ab, welches im Gegenstrom auf der Rohrseite strömt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht dieses Kühlfluid im wesentlichen aus kalten gasförmigen Reagenzien, welche über die Leitung oder Leitungen 38 von außen kommen.

Das so gekühlte Reaktionsgemisch wird dann dem nächsten und letzten Katalysatorbett 13 zugeführt, nachdem es durch den Luftring 35 geströmt ist.

Aus dem Katalysatorbett 13, welches ebenfalls von einem zentripetalen axial-radialen Gasstrom überquert wird, kommt ein endgültiges Reaktionsgemisch heraus, das durch die Mit­ telleitung 9 zu dem Wärmetauscher 7 gesandt wird, bevor es über die Öffnung 10 endgültig von dem Reaktor 1 abgezogen wird.

Die Wärme des Reaktionsgemisches, welches den Reaktor ver­ läßt, kann offensichtlich weiter zum Wärmen eines anderen Fluids oder zum Vorwärmen der kalten gasförmigen Reagenzien in anderen Wärmetauschereinrichtungen verwendet werden, welche stromaufwärts von dem Reaktor angeordnet sind.

Unter den Vorteilen, welche dank des Modernisierungsverfah­ rens gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt werden, ragt die leichte Steuerung der verschiedenen Kühlschritte beson­ ders heraus, die mit Hilfe der Wärmetauscher 18 und 29 und durch Einstellen der Durchflußraten der kalten gasförmigen Reagenzien, welche zu der Rohrseite der Wärmetauscher ge­ schickt werden, durchgeführt wird.

Der Kühlungsgrad der Reaktionsprodukte, welche das erste Katalysatorbett 11 in dem Wärmetauscher 18 verlassen, kann insbesondere auf extrem flexible Weise dadurch gesteuert werden, daß die kalten gasförmigen Reagenzien, welche von außerhalb des Reaktors kommen, auf geeignete Weise mit den bereits vorgewärmten gasförmigen Reagenzien in dem darun­ terliegenden Wärmetauscher 29 gemischt werden.

Besondere Vorteile hinsichtlich der Flexibilität und Schnelligkeit der Einstellung ergaben sich, wenn 20% bis 40% des gesamten Durchflusses des Kühlgases, welches in den Wärmetauscher 18 gespeist wird, aus kalten gasförmigen Rea­ genzien besteht, welche durch die Leitung 27 geschickt wer­ den.

Bei dem die Erfindung in keiner Weise beschränkenden Bei­ spiel 1, welches unten angegeben ist, wurde die Umwand­ lungsausbeute, welche mit einem gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung modernisierten Reaktor erreichbar ist, mit solchen Umwandlungsraten verglichen, die gemäß dem bekannten Stand der Technik erreichbar sind.

Beispiel 1

Die mit einem herkömmlichen Kellogg-Reaktor (Reaktor A) erreichbare Umwandlungsausbeute wurde mit solchen Umwand­ lungsausbeuten verglichen, welche mit einem Reaktor, der gemäß dem in der US-A-5,254,316 beschriebenen Verfahren modernisiert wurde (Reaktor B), und mit einem Reaktor, der gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung modernisiert wurde (Reaktor C), erreichbar waren.

Bei den drei betrachteten Reaktoren wurde eine Verteilung der Katalysatorvolumen vorgesehen, welche in der folgenden Tabelle I angegeben ist.

Tabelle I

Die Zusammensetzung der in die Reaktoren eingespeisten Gase und die betrachteten Betriebsbedingungen waren wie folgt:

Einlaßgas-Zusammensetzung:

H₂
69,01
N₂	23,00
NH₃	1,85
CH₄	3,84
Ar	2,30

Betriebsbedingungen:

Reaktorauslaßdruck:|145 bar
Abschreckgastemperatur:	142°C
Produktionskapazität:	1156 MTD NH₃

Mithilfe eines kinetischen Gesamtmodells, welches beschrie­ ben wurde von D. C. Dyson et al. in "A kinetic expression with diffusion correction for ammonia synthesis on in­ dustrial catalyst", I & EC Fundamentals, 7(4): 605-610, 1968, wurden die Umwandlungsdaten (in Molar-%) stromabwärts von jedem Katalysatorbett des Reaktors ermittelt.

Diese Daten sind in Tabelle II angegeben.

Tabelle II

Aus den in den obigen Tabellen angegebenen Daten ist er­ sichtlich, daß der gemäß der vorliegenden Erfindung moder­ nisierte Reaktor eine weitere und unerhoffte Erhöhung der Umwandlungsausbeute ermöglicht, welche über der liegt, wel­ che mit den Nachrüstverfahren gemäß dem bekannten Stand der Technik erreichbar waren.

Die erhöhte Umwandlungsausbeute erreicht 99% der theo­ retisch maximal mit einem brandneuen Dreibett-Katalysator- Reaktor mit denselben Katalysatorvolumen erreichbaren Aus­ beute (19,9 mol %).

Schließlich sei bemerkt, daß dieses Ergebnis um so wert­ voller ist, als es in einem Gebiet liegt, in dem selbst minimale Erhöhungen der Umwandlungsausbeute einen er­ heblichen Nutzen in technischer (Verminderung der Rück­ laufraten zum Reaktor) und wirtschaftlicher Hinsicht er­ geben.

Die folgenden Vorteile werden durch das Modernisierungsver­ fahren gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht:

• - Optimale Ausnutzung der Volumen innerhalb des Reak­ tors, welche zum Unterbringen entweder des Kataly­ sators oder der Wärmetauscher 18 und 29 für die in­ direkte Kühlung der Reaktionsgemische zwischen den Katalysatorbetten verwendet werden,
• - Erreichen einer extrem vorteilhaften thermodynamischen Konfiguration, indem eine überraschende weitere Er­ höhung der erreichbaren Umwandlungsausbeute bei einem bereits vorhandenem heterogenen exothermen Syn­ thesereaktor erzielt wird, und
• - die Möglichkeit, die Temperatur der zwischen den Kata­ lysatorbetten strömenden Reaktionsgemische auf extrem flexible und wirkungsvolle Weise einzustellen, indem die Durchflußrate der kalten gasförmigen Reagenzien reguliert werden, welche auf der Rohrseite in die Wär­ metauscher 18 und 29 eingespeist werden.

Claims (22)

1. Verfahren zur in-situ-Modernisierung eines heterogenen exothermen Synthesereaktors, insbesondere des sogenannten Kellog-Reaktors, mit einem Außenmantel (2), in dem mehre­ re übereinanderliegende Katalysatorbetten (L1-L4) mit Abstand zueinander gehalten werden, mit den Verfahrens­ schritten:

• - Vorsehen eines ersten (11) und eines zweiten (12) Ka­ talysatorbettes in einem oberen Abschnitt (2a) des Mantels (2) und mindestens eines dritten Katalysator­ bettes (13) in einem unteren Abschnitt (2b) des Man­ tels,
• - Ausstatten der Katalysatorbetten (11, 12, 13) mit Vor­ richtungen zum Zuführen eines radialen oder eines axi­ al-radialen Stromes von Reagenzgasen zu den Katalysa­ torbetten und
• - Vorsehen eines ersten Gas/Gas-Wärmetauschers (18) zwi­ schen dem ersten (11) und dem zweiten (12) Katalysa­ torbett, gekennzeichnet durch die weiteren Verfah­ rensschritte:
• - Vorsehen einer Vorrichtung zum indirekten Kühlen der zwischen dem ersten (11) und dem zweiten (12) Kataly­ satorbett in dem ersten Wärmetauscher (18) strömenden Gase,
• - Vorsehen eines zweiten Gas/Gas-Wärmetauschers (29) in dem dritten Katalysatorbett (13) und
• - Vorsehen einer Vorrichtung zum indirekten Kühlen der zwischen dem zweiten (12) und dem dritten (13) Kataly­ satorbett in dem zweiten Wärmetauscher (29) strömenden Gase.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Wärmetauscher (18) in und koaxial zu dem ersten (11) und dem zweiten (12) Katalysa­ torbett vorgesehen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Wärmetauscher (29) in und koaxial zu dem dritten Katalysatorbett (13) vorgesehen ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (18) und der zweite (29) Wärmetauscher auf der Rohrseite miteinander in Reihe geschaltet sind.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum in­ direkten Kühlen der zwischen dem ersten (11) und dem zweiten (12) Katalysatorbett strömenden Gase folgende Merkmale aufweist:

• - eine erste Rohranordnung (19), welche auf der Mantel­ seite mit gegenüberliegenden Gaseinlaß- und Gasauslaß­ öffnungen (20, 21) versehen ist, wobei die Öffnungen (20, 21) in Fluidverbindung mit dem ersten (11) bzw. dem zweiten (12) Katalysatorbett stehen, und
• - eine Vorrichtung (27) zum Zuführen kalter gasförmiger Reagenzien zu einer Gaseinlaßöffnung (23) auf der Rohrseite der ersten Rohranordnung (19).

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum in­ direkten Kühlen der zwischen dem zweiten (12) und dem dritten (13) Katalysatorbett strömenden Gase folgende Merkmale aufweist:

• - eine zweite Rohranordnung (30), welche auf der Mantel­ seite mit gegenüberliegenden Gaseinlaß- und Gasauslaß­ öffnungen (32, 33) ausgestattet ist, wobei die Öffnun­ gen (32, 33) in Fluidverbindung mit dem zweiten (12) bzw. dem dritten (13) Katalysatorbett stehen, und
• - eine Vorrichtung (38) zum Zuführen kalter gasförmiger Reagenzien zu einer Gaseinlaßöffnung (37) auf der Rohrseite der zweiten Rohranordnung (30).

7. Heterogener exothermischer Synthesereaktor der Bauart, mit

• - einem Außenmantel (2),
• - einem ersten (11) und einem zweiten (12) Katalysator­ bett, welche sich in einem oberen Abschnitt (2a) des Mantels (2) erstrecken,
• - mindestens einem dritten Katalysatorbett (13), welches sich in einem unteren Abschnitt (2b) des Mantels (2) erstreckt,

wobei jedes der Betten (11, 12, 13) jeweils von einem ring­ förmigen Korb (14, 15, 16) getragen wird, welcher gegen­ überliegende gasdurchlässige Gaseinlaß- und Gasauslaßwän­ de aufweist, und mit

• - einem Gas/Gas-Wärmetauscher (18), welcher sich koaxial in dem ersten (11) und dem zweiten (12) Katalysator­ bett erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetau­ scher (18) eine erste Vorrichtung zum indirekten Kühlen der zwischen dem ersten (11) und dem zweiten (12) Kataly­ satorbett strömenden Gase aufweist und daß ein zweiter Gas/Gas-Wärmetauscher (29) vorgesehen ist, welcher sich koaxial in dem dritten Katalysatorbett (13) erstreckt und mit einer entsprechenden zweiten Vorrichtung zum indirek­ ten Kühlen der zwischen dem zweiten (12) und dem dritten (13) Katalysatorbett strömenden Gase ausgestattet ist.

8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Vorrichtung zum indirekten Kühlen der das erste Katalysatorbett (11) verlassenden Gase folgende Merkmale aufweist:

• - eine erste Rohranordnung (19), welche auf der Mantel­ seite gegenüberliegende Gaseinlaß- und Gasauslaßöff­ nungen (20, 21) aufweist, wobei die Öffnungen (20, 21) in Fluidverbindung mit dem ersten (11) bzw. dem zwei­ ten (12) Katalysatorbett stehen, und
• - eine Vorrichtung zum Zuführen kalter gasförmiger Re­ agenzien zu einer Gaseinlaßöffnung (23) auf der Rohr­ seite der ersten Rohranordnung (19).

9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gaseinlaßöffnung (20) auf der Mantelseite in der ersten Rohranordnung (19) über einen ersten Luftring (24) in Fluidverbindung mit dem ersten Katalysatorbett steht, wobei der Luftring durch die erste Rohranordnung (19) und die Gasauslaßwand des Tragkorbs (14) für das erste Katalysatorbett (11) abgegrenzt wird.

10. Reaktor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gasauslaßöffnung (21) auf der Mantelseite in der ersten Rohranordnung (19) über einen zweiten Luftring (25) in Fluidverbindung mit dem zweiten Katalysatorbett (12) steht, wobei der Luftring durch die erste Rohranordnung (19) und eine koaxiale Wand, welche sich zwischen der Rohranordnung (19) und dem zweiten Ka­ talysatorbett erstreckt, abgegrenzt wird.

11. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung zum indirekten Kühlen der zwischen dem zweiten (12) und dem dritten (13) Katalysatorbett strömende Gase folgende Merkmale aufweist:

• - eine zweite Rohranordnung (30), welche auf der Mantel­ seite gegenüberliegende Gaseinlaß- und Gasauslaßöff­ nungen (32, 33) aufweist, wobei die Öffnungen (32, 33) in Fluidverbindung mit dem zweiten (12) bzw. dem drit­ ten (13) Katalysatorbett stehen, und
• - eine Vorrichtung zum Zuführen kalter gasförmiger Re­ agenzien zu einer Gaseinlaßöffnung (37) auf der Rohrseite der zweiten Rohranordnung (30).

12. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Katalysatorbett (12) mit der Gaseinlaßöffnung (32) auf der Mantelseite der zweiten Rohranordnung (30) über einen im wesentlichen ringförmi­ gen Gasdurchgang (34), welcher sich koaxial innerhalb des Reaktors zwischen dem zweiten Katalysatorbett (12) und der zweiten Rohranordnung (30) erstreckt, in Fluidverbin­ dung steht.

13. Reaktor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gasauslaßöffnung (33) auf der Mantelseite der zweiten Rohranordnung (30) über einen dritten Luftring (35) in Fluidverbindung mit dem dritten Katalysatorbett (13) steht, wobei der Luftring von der zweiten Rohranordnung (30) und einer koaxialen Wand (36), welche sich zwischen der Rohranordnung (30) und dem drit­ ten Katalysatorbett (13) erstreckt, abgegrenzt wird.

14. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmetauscher (18, 19) auf der Rohrseite miteinander in Reihe geschaltet sind.

15. Verfahren zum Durchführen heterogener exothermer Synthe­ sereaktionen mit hoher Ausbeute, mit den folgenden Ver­ fahrensschritten:

• - Zuführen von gasförmigen Reagenzien zu einem Synthe­ sereaktor, in dem mindestens drei übereinanderliegende Katalysatorbetten (11, 12, 13) mit Abstand zueinander gehalten werden,
• - Reagierenlassen der gasförmigen Reagenzien in den Ka­ talysatorbetten (11, 12, 13) und
• - Abziehen der Reaktionsprodukte, welche das letzte (13) der Katalysatorbetten (11, 12, 13) verlassen, von dem Synthesereaktor,

gekennzeichnet durch die weiteren Verfah­ rensschritte:

• - Zuführen des das erste Katalysatorbett (11) verlassen­ de Reaktionsgemisch zu einem ersten Wärmetauscher (18), welcher sich koaxial in dem ersten (11) und dem zweiten (12) Katalysatorbett erstreckt,
• - Kühlen des Reaktionsgemischs in dem ersten Wärmetau­ scher (18)
• - Zuführen des so erhaltenen gekühlten Reaktionsge­ misches zu dem zweiten Katalysatorbett (12),
• - Zuführen des das zweite Katalysatorbett (12) verlas­ sende Reaktionsgemisches zu einem zweiten Wärme­ tauscher (29), welcher sich koaxial in dem letzten Katalysatorbett (13) erstreckt,
• - Kühlen des Reaktionsgemischs in dem zweiten Wärmetau­ scher (29) und
• - Zuführen des so erhaltenen gekühlten Reaktionsge­ misches zu dem letzten (13) der Katalysatorbetten (11, 12, 13).

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die das erste (11) und das zweite (12) Katalysatorbett verlassenden Reaktionsgemische mit­ tels eines indirekten Wärmeaustausches mit kalten gasför­ migen Reagenzien gekühlt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die kalten gasförmigen Reagenzien dem ersten (18) und dem zweiten (29) Wärmetauschers nach Maßgabe von voreingestellten Durchflußraten zugeführt werden.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das das erste Katalysator­ bett (11) verlassende Reaktionsgemisch mittels eines in­ direkten Wärmeaustausches mit einem Gemisch gekühlt wird, welches kalte gasförmige Reagenzien und den zweiten Wär­ metauscher (29) verlassende vorgewärmte gasförmige Rea­ genzien umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gemisch von 20% bis 40% der kalten gasförmigen Reagenzien enthält.