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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erleichtern des Befüllens von
vertikalen Rohren mit einem festen, teilchenförmigen Material, insbesondere
zum Beladen der Rohren eines chemischen Reaktors mit Katalysatorteilchen.
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Die Beschreibung bezieht sich im
Besonderen auf diese Anwendung der Erfindung, aber es ist für den Fachmann
klar, dass die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt ist,
sondern dass sie sich auch auf das Befüllen von andersartigen, vertikal
angeordneten Rohren mit einem festen Material, das sich in einem teilchenförmigen Zustand
befindet, bezieht.
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Es ist bekannt, dass die Rohre eines
chemischen Reaktors eine verhältnismäßig große Länge, beispielsweise
in der Größenordnung
von 10 m, und einen Durchmesser von ungefähr 10 cm haben.
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Diese werden häufig mit Teilchen eines Materials
mit katalytischen Eigenschaften befüllt, das oft in Form von kleinen,
axial durchbohrten Zylindern mit einer Länge von etwa 12 bis 16 mm und
einem Durchmesser von 9 bis 16 mm vorliegt.
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Die Befüllung von Reaktorrohren mit
diesen Teilchen stellt eine komplizierte Operation dar, da der Katalysator
im Allgemeinen ein verhältnismäßig brüchiges Gefüge hat und
aus einer großen
Höhe herabfällt; die Teilchen
haben die Neigung, in viele Stücke
zu zerbrechen, wobei auch eine große Menge von pulverförmigem Feinkorn
entsteht, das das Rohr teilweise verstopft. Die Folge einer solchen
Beladung ist ein Chargenverlust, der sich in einer Verminderung
der Fluidströmung
in dem Rohr äußert, wodurch
physikalische Störungen
im Reaktorrohr hervorgerufen werden, die beispielsweise im Hinblick
auf die metallurgische Struktur dieses Rohres schädlich sein
können.
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Um diesen schwerwiegenden Nachteil
zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, während der Befüllung im
Inneren des zu füllenden
Rohres Hindernisse einzubauen, die der freien Bewegung der Teilchen beim
Herabfallen entgegenwirken, indem sie ihre Geschwindigkeit herabsetzen,
wodurch ihre kinetische Energie vermindert und vermieden wird, dass
sie beim Auftreffen am Boden des Rohres zerbrechen.
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Nach der US-A-3,608,751 ist ein Kabel,
auf dem geneigte Lamellen angebracht sind, vertikal im Inneren eines
mit einem Katalysators zu befüllenden
Rohres angebracht, die den Fall der Katalysatorteilchen verlangsamen,
worauf das Kabel in dem Maße,
wie sich das Rohr füllt,
entfernt wird.
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Kürzlich
wurde in der EP-A-O 548 999 in analoger Weise vorgeschlagen, ein
Kabel oder eine Kette vertikal in einem Rohr aufzuhängen, das
mit einem teilchenförmigen
Material gefüllt
werden soll, wobei dieses Kabel oder diese Kette Dämpfungselemente
trägt,
die als biegsame, quer angeordnete Bürsten angeordnet sind, um den
Fall der Teilchen abzubremsen, ohne dass sie zerbrechen, wobei das
Kabel oder die Kette wie zuvor aus dem Rohr nach oben gezogen wird,
in dem Maße,
wie die Befüllung
fortschreitet. Die flexiblen Bürsten
bestehen z. B. aus Fasern aus federndem Stahl.
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Diese bekannten Methoden zur Verlangsamung
des Falls der Teilchen beruhen also auf flexiblen Elementen vom
Federtyp, die sich unter dem Gewicht der Teilchen biegen und so
deren Fallgeschwindigkeit vermindern. Die Vorrichtungen dieses Typs
haben den Nachteil, dass sie kompliziert herzustellen sind, da die
Federn um eine Achse angeordnet und gehalten werden müssen, weshalb
sie teuer in der Herstellung sind. Weiterhin ermöglichen sie, da sie nicht den
gleichen Dämpfungswert über die
gesamte Länge
der Feder haben, die Passage gewisser Teilchen, insbesondere bei
größeren Beladungsmengen,
ohne dass diese Teilchen auf die Federelemente auftreffen, wenn
diese durch ein oder mehrere andere Teilchen beaufschlagt werden,
und sie sind aus der Position, die sie normalerweise einnehmen,
ausgelenkt.
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Ein anderer Nachteil dieser bisher
verwendeten biegsamen Mittel vom Typ der Fasern aus Federstahl, ist
der Bruch eines Elements der flexiblen Einrichtung, das auf den
Boden des Rohres fällt,
ohne dass es bis zur nächsten
Entladung des Rohres in dieses zurückgezogen werden kann, wobei
so ein nutzloser Chargenverlust entsteht, der für das gute Funktionieren des
Reaktors nachteilig sein kann.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Verfahren und Vorrichtung des gleichen allgemeinen Typs, die einfach,
wirksam und kostengünstiger
herzustellen sind, und die verwendet werden, um den Fall der Teilchen,
insbesondere eines Katalysators, abzubremsen, bis ein vertikal angeordnetes
Rohres gefüllt
ist; sie bezweckt den Ersatz der Dämpfungssysteme nach dem Stand
der Technik durch Organe mit einer größeren Biegsamkeit und ermöglicht es
auch, dass sprödere
Teilchen nicht zerbrechen, wenn sie auf sie auftreffen.
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Somit betrifft die Erfindung in erster
Linie ein Verfahren zum Erleichtern des Befüllens eines vertikalen Rohres
mit einem festen, teilchenförmigen
Material, wobei die Teilchen aufgrund ihrer Schwerkraft im Rohr nach
unten fallen und auf ihrer Bahn auf Hindernisse treffen, wobei die
Teilchen auf mindestens drei Hindernisse treffen, wovon mindestens
zwei dieser Hindernisse im Rohr auf verschiedenen Niveaus angeordnet
sind; die größte Abmessung
der Hindernisse senkrecht zur Achse des zugeordneten Kabels liegt
zwischen dem 0,25- bis 0,75-fachen des Durchmessers des Rohres,
und diese Hindernisse nehmen mindestens 80% des Querschnitts des
Rohrs ein. In dem Maße,
wie sich das Rohr füllt,
wird das Kabel über
den oberen Teil des Rohres angehoben.
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Die Erfindung betrifft ferner eine
Vorrichtung zum Erleichtern des Befüllens eines vertikalen Rohres
mit Hilfe eines festen, teilchenförmigen Materials, das aufgrund
seiner Schwerkraft im Rohr absinkt, von der Art, die mindestens
ein vertikal im Rohr aufgehängtes
Kabel oder dergleichen aufweist; Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
dass sie mindestens drei Hindernisse aufweist, die mindestens teilweise
seitlich zu der Rohrachse versetzt sind, wobei mindestens zwei dieser
Hindernisse im Rohr auf verschiedenen Niveaus angeordnet sind, wobei
die größte Abmessung
der Hindernisse senkrecht zur Achse der zugeordneten Halterung zwischen
dem 0,25- bis 0,75-fachen des Durchmessers des Rohres liegt und
diese Hindernisse mindestens 80% des Querschnittes des Rohres einnehmen;
die Vorrichtung enthält
eine Einrichtung zum Anheben des Kabels, durch die das Kabel, in
dem Maße,
wie sich das Rohr füllt, über dessen
oberen Teil angehoben werden kann.
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Um eine bessere Verteilung der Hindernisse
in dem Raum, der durch das Innenvolumen des Rohres gebildet wird,
zu erhalten, sind die Kabel vorzugsweise so im Rohr angeordnet,
dass sie im Wesentlichen symmetrisch zur Rohrachse stehen.
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Vorzugsweise verwendet man mehr als
zwei Kabel; die die Hindernisse im Rohr tragen, und man wählt, um
einander zugeordnete Hindernisse zu bilden, ein geschmeidiges Material,
das die bestmögliche Dämpfung hat,
derart, dass einerseits die Begegnung mit den einzufüllenden
Teilchen unabhängig
von ihrer Herkunft wahrscheinlicher ist, und andererseits, dass
man eine homogene Füllung über den
ganzen Querschnitt erhält,
ohne dass die Katalysatorkörner
zerbrechen und ohne dass Feinteile der Katalysatoren, die die Fluidströmung behindern,
gebildet werden.
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Jedes Kabel ist vorzugsweise mit
Hilfe eines geschmeidigen Querriegels mit einem anderen Kabel verbunden,
derart, dass sich die Kabel genau im Rohr verteilen, ohne dass das
Bedienungspersonal einzugreifen braucht.
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Die Hindernisse, die von gewissen
Kabeln getragen werden, können
mit dem angrenzenden Teil der Rohrwand in Berührung stehen oder sich in unmittelbarer
Nachbarschaft davon befinden.
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Zweckmäßig sind die von jedem Kabel
getragenen Hindernisse auf Niveaus mit gleichmäßigen Abständen zu den Hindernissen, die
den anderen Kabeln zugeordnet sind angeordnet, dass sie kreuzförmig zueinander
anderen angeordnet sind.
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Wie vorstehend angegeben ist, kann
die größte Abmessung
dieser Hindernisse, senkrecht zu jedem Kabel, zwischen dem 0,25-
und 0,75-fachen Rohrdurchmesser betragen, derart, dass die Teilchen
des Materials, mit denen das Rohr gefüllt werden soll, beim Fallen
im Inneren des Rohres notwendigerweise auf mindestens ein Hindernis
auftreffen, das ihren Fall dämpft.
Selbstverständlich
ist die Zahl der Kabel, die diese Hindernisse tragen umso größer, je
kleiner der Durchmesser der Hindernisse ist.
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In der Praxis trifft jedes Teilchen
auf mehrere Hindernisse auf, die es nacheinander abbremsen, ohne dass
aufgrund der Natur dieser Hindernisse ein merklicher Stoß ausgeübt wird,
und die Teilchen auf ihrem Weg zum Boden des Rohres wirksam abgebremst
werden.
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Zum gleichen Zweck nehmen, wie vorstehend
angegeben ist, die im Rohr angeordneten Hindernisse insgesamt mindestens
80% des Querschnitts des Rohres ein.
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Diese Hindernisse haben vorzugsweise
eine Rotationssymmetrie um eine Achse, und sie können eine sphärische,
halbkugelige, konische, kegelstumpfförmige oder zylindrische Form
haben. Ihre Symmetrieachse kann zweckmäßig mit dem sie tragenden Kabel
zusammenfallen.
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Diese Hindernisse können vorteilhaft
aus einem Elastomer, insbesondere aus einem Butyl-Isobutylen-Kautschuk
sein, das einen Dämpfungsfaktor
bei Normaltemperatur und bei einer Frequenz von 31 Hz von mehr als
0,15, vorzugsweise von mehr als 0,20 hat; sie können aber auch aus einem Schaumstoff
bestehen. Zur Messung des Dämpfungsfaktors
wird auf das Buch "Criteria
for Engineering Design",
Hrsg. C. Hepburn und R. J. W. Reynolds, Collection Applied Science
Publishers, Ltd., London, und insbesondere auf den Abschnitt 2.4
auf Seite 25 dieses Werkes, "Design
of Elastomers for Sampling Applications", verwiesen.
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In dem Maße, wie sich das Rohr füllt, werden
die verschiedenen Kabel vorzugsweise über dessen oberen Teil, angehoben,
zweckmäßig synchron,
derart, dass die Hindernisse, die sie tragen, die gleichen relativen Positionen
zueinander beibehalten.
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Die Erfindung ermöglicht es also, eine gleichmäßige Beladung
der Teilchen im Rohr zu erzielen, indem ein Zerbrechen der Teilchen
und die Bildung von Feinanteilen des Katalysators in dem gefüllten Rohr
vermindert wird.
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Nach einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung können
die Kabel aus einzelnen Elementen bestehen, die seitlich durch Querriegel
miteinander verbunden sind, wobei die Kabel oder die Querriegel
mit Hilfe von an sich bekannten Bindegliedern, z. B. mit Hilfe von
Karabinern, miteinander verbunden sind.
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Nach einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung haben die Hindernisse Symmetrieachsen, die gegenüber der
Achse des Kabels, das sie trägt,
in der Richtung der angrenzenden wand geneigt sind, insbesondere
wenn das zu befüllende
Rohr einen kleineren Eingangsdurchmesser als sein Innendurchmesser
hat.
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Die anderen Merkmale und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Detailbeschreibung unterschiedlicher
Ausführungsformen.
In der Beschreibung wird auf die beigefügten schematischen Zeichnungen
hingewiesen, in denen bedeuten:
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1 einen
schematischen Aufriss eines vertikalen Rohres, das mit einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung
ausgerüstet
ist;
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2 eine
Ansicht des Rohres von unten;
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3 eine
Ansicht des Rohres von unten, mit Hindernissen mit einem kleinen
Durchmesser;
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4, 5 und 6 schematische Ansichten, die verschiedene
Arten von Hindernissen zeigen, die erfindungsgemäß verwendet werden können;
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7 und 8 schematische Ansichten,
die zwei unterschiedliche Ausführungsformen
der Erfindung zeigen.
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Es wird zunächst auf die 1 und 2 Bezug
genommen.
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1 zeigt
ein vertikales zylindrisches Rohr mit großer Länge, beispielsweise ein Rohr
eines chemischen Reaktors, das oben mit einem Trichter 2 versehen
ist, in den die Teilchen 3 eines Materials, mit denen das
Rohr gefüllt
werden soll, beispielsweise eines Katalysators, eingefüllt werden.
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Diese Teilchen fallen aufgrund ihrer
Schwerkraft bis zum Boden des Rohres 1, und die Erfindung
verhindert, dass diese Teilchen während ihres Falles zerbrechen
und unerwünschten
Staub bilden.
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Zu diesem Zweck sind erfindungsgemäß mehrere
Kabel 4, beispielsweise aus Stahl (nach 4), vertikal im Inneren des Rohres 1 in
der Nähe
der Innenwand des Rohres angeordnet, wobei jedes Kabel die Hindernisse 5,
in Form von Kugeln aus einem nachgiebigen Material, z. B. aus einem
Elastomer oder aus einem Kunststoffschaum, trägt, das in der Lage ist, die
Stöße der Teilchen
zu dämpfen.
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In der in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsform
stehen die Hindernisse mit dem angrenzenden Teil der Innenwand des
Rohres 1 in Berührung,
und die Hindernisse der verschiedenen Kabel sind gleichmäßig gegeneinander
versetzt, so dass sie kreuzförmig
angeordnet sind.
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Die Hindernisse 5 haben
also eine Rotationsachse, die mit der Achse des zugeordneten Kabels 4 zusammenfällt, und
sie können
entweder kugelförmig
oder nicht-kugelförmig
sein.
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Ihr größter Durchmesser senkrecht
zu dem zugeordneten Kabel beträgt
ungefähr
das 0,25- bis 0,75-fache des Durchmessers des Rohres 1,
so dass ein Teilchen des in das Rohr einzufüllenden Materials auf mindestens
ein Hindernis auftrifft, wenn es im Rohr herabfällt und während des Fallens gebremst
wird, ohne dass es zerbrochen wird, u. a. wegen der Natur dieser
Hindernisse.
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In der Praxis sind die Hindernisse,
die durch jedes Kabel getragen werden, etwa 50 cm voneinander entfernt,
derart, dass für
ein Rohr mit einer großen
Länge jedes
Kabel mehrere Hindernisse trägt,
wodurch für die
Teilchen des einzufüllenden
Materials auf ihrem Weg von oben nach unten im Inneren des Rohres,
die Möglichkeiten
des Auftreffens vervielfacht werden, wodurch ihr Fall im Rohr sehr
wirksam gebremst wird.
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Zum gleichen Zweck nehmen die im
Rohr angeordneten Hindernisse insgesamt mindestens 80% des Rohrquerschnitts
ein (vgl. 2), wobei
dieses Ergebnis auch mit Hilfe einer Vielzahl von Hindernissen mit kleinerem
Durchmesser (vgl. 3)
erreicht werden kann, wobei die vorstehend beschriebenen Elemente durch
die gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind.
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Es sind nicht dargestellte Einrichtungen
vorgesehen, um die verschiedenen Kabel 4 in dem Maße, wie die
Füllung
des Rohres fortschreitet, synchron bis zum oberen Ende des Rohres
anzuheben.
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Nach 1 haben
die Hindernisse 5 eine im Wesentlichen sphärische Form;
man kann aber auch eine andere Form von Hindernissen verwenden,
die eine Rotationssymmetrie um eine Achse zeigen, beispielsweise
die Hindernisse 5a in Form von Halbkugeln (4), 5b in Kegelform (5), oder 5c in
Zylinderform (6), wobei
diese Liste natürlich
nicht einschränkend
ist.
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In 7 ist
eine Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, bei der die im Inneren des Rohres 11 angeordneten
Hindernisse 15 sphärisch
sind und durch Kabel getragen werden, die aus einer Aufeinanderfolge von
einzelnen Elementen 14 bestehen, die an ihrem oberen und
ihrem unteren Ende durch Querstäbe 16,
die vorzugsweise biegsam sind, miteinander verbunden sind. Die aufeinanderfolgenden
Anordnungen von Kabeln und Querstäben sind mit Hilfe von an sich
bekannten Einrichtungen miteinander verbunden, beispielsweise, wie
dargestellt, durch die Kabelteile 18 und 13, die
durch Systeme von Karabinern 12 miteinander verbunden sind.
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Es ist nicht notwendig, dass die
von den Kabeln getragenen Hindernisse eine Symmetrieachse haben, die
mit der Achse des Kabels zusammenfällt. Insbesondere wenn das
Rohr 21 auf seinem oberen Teil einen Zugang 22 mit
einem kleineren Innendurchmesser als das Rohr enthält, wie
es in 8 dargestellt
ist, kann es vorteilhaft sein, dass die auf den Kabeln 24 getragenen
Hindernisse 23, die der Innenwand des Rohrs 21 am
nächsten
sind, eine Symmetrieachse haben, die in der Richtung der Wand, in
Bezug auf die Achse des zugeordneten Kabels, geneigt ist.
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Das folgende Ausführungsbeispiel der Erfindung
erläutert
die Vorteile der Vorrichtung gemäß der Erfindung
beim Befüllen
eines Reaktorrohres.
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Beispiel
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Man befüllt nacheinander mit Hilfe
von drei verschiedenen Einrichtungen, von denen eine erfindungsgemäß ist, ein
Reaktorrohr mit einem Katalysator in Form von zylindrischen Teilchen,
die mit einer Bohrung entlang ihrer Achse versehen sind; die physikalischen
Eigenschaften sind nachstehend angegeben:
- – Außendurchmesser:
16 mm
- – Länge: 18
mm
- – Innendurchmesser:
6 mm.
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Das für den Versuch verwendete Reaktorrohr
misst etwa 7 m in der Länge,
und sein Durchmesser beträgt
100 mm. Dieser Durchmesser ist über
die ganze Höhe
des Rohres konstant.
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Es werden bei diesem Versuch drei
verschiedene Beladungsarten für
den Katalysator nacheinander angewendet:
- – durch "Beregnung" (effet de pluie),
in an sich bekannter Weise, um eine möglichst homogene Beladung zu
erreichen, wobei der Katalysator vorsichtig oben am Rohr eingeschüttet wird;
- – mit
einem Dämpfungssystem
für den
Fall der Teilchen, bestehend aus elastischen metallischem Lamellen,
die regelmäßig um ein
in der Rohrachse angeordnetes Kabel angeordnet sind, wobei diese
Lamellen gleichmäßig im Innenraum
des Rohres verteilt und über
die ganze Höhe
des Rohres etwa alle 50 cm voneinander auf dem Kabel angebracht
sind;
- – mit
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
mit 4 Kabeln, die jeweils 9 Hindernisse in Form von Kugeln mit einem
Durchmesser von 40 mm tragen, die aus einem Butyl-Isobutylen-Material hergestellt
sind; die Kabel messen 7,20 m und sind durch elastische Querstäbe (Querriegel)
miteinander verbunden, die etwa alle 1 m voneinander angebracht
sind; die Hindernisse sind gleichmäßig über die Höhe des Rohres verteilt und sind
auf einem Kabel gegenüber
dem anderen setzt; derart, dass sie kreuzförmig in dem Rohr angeordnet sind.
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Nach jedem Wechsel der Beladung wird
die Dichte der Beladung und der Prozentgehalt der Feinanteile des
Katalysators gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden
Tabelle angegeben.
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Man erkennt aus der Tabelle, dass
die mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung
erhaltene Beladung im Wesentlichen identisch ist mit der Beladung,
die mit dem System erhalten wird, welches die elastischen Lamellen
enthält,
die gleichmäßig um ein
axiales Kabel angeordnet sind, während
die Menge des gebildeten feinteiligen Materials (was auch eventuelle
Bruchstücke
der Katalysatorkörner
umfasst) etwa 1,5-mal kleiner ist als die mit dem Beladungssystems
mit Lamellen erhaltene.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung
ermöglicht
es also, bessere Beladungsqualitäten
zu erhalten, nach einem Verfahren, das darin besteht, den Katalysator
lose von einem oberen Ende des Rohres aus einzufüllen, wobei die Beladungsdichte
verbessert ist und die Menge des bei der Beladung gebildeten feinteiligen Materials
etwa 3- bis 4-mal kleiner ist als die bei einer losen Schüttung erhaltene
Menge.
