DE60025787T2

DE60025787T2 - Modularer chemischer Reaktor

Info

Publication number: DE60025787T2
Application number: DE60025787T
Authority: DE
Inventors: Giancarlo Sioli
Original assignee: Casale Chemicals SA
Current assignee: Casale SA
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: ES2255941T3; ATE316820T1; EP1206963B1; DE60025787D1; EP1206963A1

Description

Gebiet der Anmeldung
Ihrem allgemeinen Aspekt entsprechend betrifft die vorliegende Erfindung einen Reaktor für katalytische Reaktionen in der Gasphase. Im Spezielleren bezieht sich die Erfindung auf bei niedrigen und mittleren Drücken arbeitende Reaktoren für katalytische Reaktionen in der Gasphase.
Mit dem Ausdruck "Reaktoren für niedrige und mittlere Drücke" sollen Reaktoren gemeint sein, die bei einem Betriebsdruck im Bereich von 1 bis 20 bar arbeiten.
Stand der Technik
Ein chemischer Reaktor der oben genannten Art umfasst im Wesentlichen:

– einen rohrförmigen, vorwiegend zylindrischen Mantel, der an beiden Seiten durch passende Deckel verschlossen ist;
– ein katalytisches Bett oder mehrere katalytische Betten, die in entsprechenden im Wesentlichen korbförmigen Strukturen im Inneren des Mantels voneinander beabstandet angeordnet sind;
– einen oder mehrere Wärmetauscher, die im Mantel in den Räumen zwischen den katalytischen Betten gehaltert oder vollständig in die eigentlichen katalytischen Betten eingetaucht sind.

Die Wärmetauscher ziehen von den chemischen Reaktionspartnern die Wärme ab oder stellen sie ihnen zur Verfügung, je nachdem, ob im chemischen Reaktor eine exotherme oder endotherme chemische Reaktion abläuft.
Der chemische Reaktor, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, kann auch umfassen:

– mehrere Einlassrohre zum Einleiten der Reaktionspartner und Wärmetauscherfluide und mehrere Auslassrohre zum Abziehen der Produkte und Wärmetauscherfluide.
– mehrere betriebstechnische Ausrüstungsgegenstände, Strukturplatten, flexible Anschlussstücke, um sämtliche in die chemische Reaktion involvierten Regelgrößen zu steuern.

Wie hinlänglich bekannt ist, muss jede chemische Reaktion – und insbesondere, aber nicht ausschließlich – jede katalytische chemische Reaktion, speziell für eine industrielle Produktion, in einem bestimmten Reaktor ausgeführt werden, der für diesen speziellen Zweck entwickelt und gebaut wurde.
Um eine Produktion in industriellem Maßstab bei gleichzeitig hohem Produktionsausstoß durchzuführen, sollte der Reaktor in der Tat speziell auf die vielen Regelgrößen ausgelegt sein, die in die auszuführende chemische Reaktion involviert sind.
Die "in eine chemische Reaktion involvierten Regelgrößen" sind Parameter wie die Reaktionswärme, Verweilzeit, katalytische Aktivität, Reaktionsdruck und -temperatur. Solche Regelgrößen werden insbesondere durch geeignete Mittel wie Thermoelemente, Durchflussmesser und Druckmesser gesteuert.
Um eine chemische Reaktion entsprechend ablaufen lassen zu können, muss der Mantel z.B. eine geeignete Dimensionierung, Formgebung, geeignete Öffnungen und die richtige Wandstärke haben; auch muss er aus den geeigneten Konstruktionswerkstoffen gefertigt sein.
Dies gilt auch für die Anzahl, Abmessung und den gegenseitigen Abstand von katalytischen Betten sowie für den Katalysator und alle Betriebsmittel und Instrumente, die entsprechend der auszuführenden chemischen Reaktion zu bestimmen sind.
Anders ausgedrückt muss jede chemische Reaktion oder Reaktionsart von einem bestimmten Reaktor ausgeführt werden. Im Allgemeinen kann ein solcher Reaktor nicht für irgendeine andere Reaktion oder Reaktionsart verwendet werden, selbst wenn sie von sehr ähnlicher Natur sein sollte, sondern nur für diesen einzigen Zweck, für den er entwickelt und gebaut wurde.
Falls es erforderlich oder gewünscht ist, beispielsweise die Produktionsrate und/oder den Ausstoß des Reaktionsprodukts zu steigern oder herunterzufahren, ist es sogar bei gleicher Reaktion notwendig, einen neuen chemischen Reaktor zu bauen, der den ursprünglichen ersetzt oder unterstützt.
Dieser hinlänglich bekannte Mangel an Flexibilität bezüglich Aufbau und Betrieb eines chemischen Reaktors, der nur für eine bestimmte chemische Reaktion und eine bestimmte Produktionskapazität ausgelegt ist, ist ein Hauptnachteil aus dem Stand der Technik.
Wegen der schnellen Verbesserung chemischer Reaktionsprozesse und der Forderung nach immer größer werdender Produktionskapazität muss ein neu gebauter chemischer Reaktor oftmals kurz nach seiner Konstruktion massiv nachgerüstet werden.
Chemische Reaktoren werden im Allgemeinen mit einem einstückigen Außenmantel hergestellt, der an seinen entgegengesetzten Enden durch passende Deckel verschlossen ist, wobei es nahezu unmöglich ist, den Aufbau dieser Reaktoren zu modifizieren, wenn sie erst einmal aufgestellt sind.
Daraus folgt, dass es bei einer für einen bestimmten Teil des Aufbaus erforderlichen Modifizierung (und sei sie auch gering) oftmals notwendig ist, den ganzen Reaktor zu ersetzen.
Außerdem sind auch oft die Anzahl und Position von im Mantel untergebrachten katalytischen Betten und Wärmetauschern fest vorgegeben und können nicht geändert werden, um den Reaktor an neue Erfordernisse anzupassen.
Daher leiden alle Reaktoren aus dem Stand der Technik, obwohl sie in vielen Aspekten vorteilhaft sind, unter dem Nachteil, dass sie sich an so gut wie keine andere Reaktion und Produktivität anpassen lassen, mit Ausnahme derer, für die sie konkret entworfen wurden.
Herkömmliche Reaktoren können keine geeignete Flexibilität bieten, obwohl dies auf dem oben erwähnten Anwendungsgebiet in steigendem Maße gefordert wird.
Modulare chemische Reaktoren sind z.B. in US-A-2 504 402 und US-A-2 273 865 gezeigt.
Zusammenfassung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, einen Reaktor für chemische Reaktionen zu schaffen, der sich bei niedrigen Investitions- und Betriebskosten leicht und zuverlässig an verschiedene Reaktionsarten, Betriebsbedingungen und Produktionskapazitäten anpassen lässt, ohne dass man ihn durch einen neuen Reaktor ersetzen bzw. durch einen solchen unterstützen müsste.
Dieses Problem wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen modularen chemischen Reaktor für katalytische Reaktionen in gasförmiger Phase gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er umfasst:

– wenigstens einen ersten rohrförmigen Mantelabschnitt;
– wenigstens ein katalytisches Bett, das anlagenintern dem wenigstens einen ersten rohrförmigen Mantelabschnitt zugeordnet ist;
– wenigstens einen zweiten rohrförmigen Mantelabschnitt;
– wenigstens einen Wärmetauscher, der anlagenintern dem wenigstens einen zweiten rohrförmigen Mantelabschnitt zugeordnet ist;
– Einrichtungen, um den wenigstens einen ersten rohrförmigen Mantelabschnitt an den wenigstens einen zweiten rohrförmigen Mantelabschnitt anzumontieren.

Die vorliegende Erfindung macht es möglich, einen Reaktor für niedrige oder mittlere Drücke bereitzustellen, der aus einem oder mehreren der ersten und zweiten Abschnitte gefertigt ist, die aneinander montiert werden können, um je nach der besonderen auszuführenden chemischen Reaktion oder zu leistenden Produktivität einen spezifischen Reaktor zu ergeben.
Außerdem kann dank des Merkmals der Modularität ein Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung, der ursprünglich für eine bestimmte Reaktion ausgelegt wurde, (schnell und wirtschaftlich) modifiziert werden, um ihn an andere Produktionserfordernisse für dieselbe Reaktion anzupassen, oder sogar, um andere Reaktionen auszuführen.
Und zwar werden jedem ersten und zweiten Abschnitt ein katalytisches Bett bzw. ein Wärmetauscher zugeordnet, um so den Reaktionsabschnitt und den Wärmetauscherabschnitt des Reaktors festzulegen. Vorteilhafter Weise wird abhängig von der auszuführenden Reaktion und der geforderten Produktivität nur die benötigte Anzahl von Mantelabschnitten richtig zusammengesetzt.
Beispielsweise können die dem katalytischen Bett zugeordneten Abschnitte mit dazwischen gesetzten, dem Wärmetauscher zugeordneten Abschnitten zusammengebaut werden, um einen Reaktor basierend auf adiabatischen Reaktionsabschnitten mit dazwischen liegender Kühlung aufzustellen. Alternativ dazu kann der Reaktor aus mehreren Mantelabschnitten bestehen, die einer jeweiligen, ein katalytisches Bett enthaltenden Wärmetauschereinrichtung zugeordnet sind, die in das katalytische Bett eingetaucht ist, um mehrere benachbarte, isothermische Reaktionsabschnitte zu erhalten.
Die Länge des Reaktors ändert sich einfach mit der Anzahl der aneinander montierten Mantelabschnitte.
Vorzugsweise sind gemäß der vorliegenden Erfindung die Mantelabschnitte anlagenintern montiert und untereinander austauschbar.
Darüber hinaus sind die einzelnen ersten und zweiten Abschnitte jeweils unabhängige Körper, womit die Abschnitte vorteilhafter Weise vom Aufbau her unabhängig voneinander sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Mantelabschnitte allesamt identische Module mit derselben Größe in Bezug aufeinander.
Vorzugsweise und vorteilhafter Weise sind die dem ersten und zweiten Mantelabschnitt zugeordneten katalytischen Betten bzw. Wärmetauscher aus den Abschnitten herausnehmbar.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der Beschreibung einer Ausführungsform eines modularen chemischen Reaktors gemäß der Erfindung dargelegt, die nachstehend mittels eines nicht einschränkenden Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch einen Reaktor, der aus rohrförmigen Mantelabschnitten gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht;
2 zeigt schematisch eine Einzelheit eines rohrförmigen Mantelabschnitts, der einem katalytischen Bett gemäß der Erfindung zugeordnet ist;
3 zeigt schematisch eine Einzelheit eines rohrförmigen Mantelabschnitts, der einem Wärmetauscher gemäß der Erfindung zugeordnet ist;
4 zeigt schematisch einen Reaktor, der aus rohrförmigen Mantelabschnitten gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht;
5 zeigt schematisch einen Reaktor, der aus rohrförmigen Mantelabschnitten gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Mit Bezug auf die zuvor erwähnten Zeichnungen ist mit 1 allgemein ein rohrförmiger Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung angegeben, mit einem Mantel 2, der an seinen beiden Enden durch jeweilige Deckel 3 und 4 verschlossen ist.
Der Reaktor 1 ist insbesondere von der Bauart, die als Reaktor für niedrige und mittlere Drücke definiert ist, d.h. er arbeitet bei einem Druck im Bereich von 1 bis 20 bar und wird vorteilhafter Weise für katalytische Reaktionen in der gasförmigen Phase verwendet, zum Beispiel bei der Oxidation von Methanol zu Formaldehyd, der Herstellung von Ethylenoxid durch Ethylenoxidation, bei der Dehydrogenierung von Methylcyclohexan zu Toluol, der Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid, bei der Styrolherstellung durch Dehydrogenierung von Ethylbenzol, der Oxidation von Toluol zu Benzoesäure, bei der Herstellung von Phthalsäureanhydrid durch Oxidation von Naphthalin oder o-Xylen, und der Herstellung von Maleinsäureanhydrid durch Oxidation von Benzol oder Butan.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Mantel 2 wenigstens einen ersten rohrförmigen Mantelabschnitt 5 (im Einzelnen in 2 gezeigt). Jeder erste Mantelabschnitt 5 umfasst in seinem Inneren ein katalytisches Bett 6, das vorzugsweise dem entsprechenden Mantelabschnitt 5 zugeordnet ist.
Vorzugsweise sind der erste Mantelabschnitt 5 und das katalytische Bett lösbar aneinander befestigt, so dass ein mehrfaches Einsetzen des Kataly sators in den ersten Mantelabschnitt 5 bzw. Herausnehmen des Katalysators aus diesem ermöglicht ist.
Jedes katalytische Bett 6 ist innerhalb jedes ersten Mantelabschnitts 5 zur Längsachse A des Reaktors quer liegend platziert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Mantel 2 darüber hinaus zumindest einen zweiten rohrförmigen Mantelabschnitt 7 (im Einzelnen in 3 gezeigt). Jeder zweite rohrförmige Mantelabschnitt 7 umfasst in seinem Inneren einen Wärmetauscher 8, beispielsweise in Rohrbündelbauart, der dem entsprechenden, zweiten Mantelabschnitt 7 lösbar zugeordnet ist.
Wie beim ersten Abschnitt 5 können der zweite Mantelabschnitt 7 und der Wärmetauscher 8 lösbar aneinander befestigt werden, so dass ein mehrfaches Einsetzen des Wärmetauschers 8 in den zweiten Mantelabschnitt 7 bzw. Herausnehmen des Wärmetauschers aus diesem ermöglicht ist.
Jeder Wärmetauscher 8 ist innerhalb jedes zweiten Mantelabschnitts 7 zur Längsachse A des Reaktors quer liegend platziert.
Vorteilhafter Weise sind die Mantelabschnitte 5 und 7 auch vom Aufbau her unabhängig voneinander, so dass sie zum Ausführen bestimmter Stufen der chemischen Reaktion und des Kühlens bzw. Erwärmens ausgelegt und dimensioniert werden können.
Der erste, das katalytische Bett enthaltende rohrförmige Mantelabschnitt 5 wird in der folgenden Beschreibung auch als "der dem katalytischen Bett zugeordnete Abschnitt" bezeichnet, während der zweite, den Wärmetauscher enthaltende rohrförmige Mantelabschnitt 7 in der folgenden Beschreibung auch als "der dem Wärmetauscher zugeordnete Abschnitt" bezeichnet wird.
Zusätzlich zu dem bisher Gesagten sind die katalytischen Betten 6 und die Wärmetauscher 8 vorteilhafter Weise mit Abstand zueinander angeordnet.
Gemäß einem weiterem Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die ersten und zweiten Mantelabschnitte 5, 7 und somit auch der Mantel 2 durch eine rechteckige Querschnittsfläche gekennzeichnet.
Mit dem Ausdruck "Querschnittsfläche" soll die Mantelfläche senkrecht zur Längsachse A des Reaktors gemeint sein.
Gemäß dieser Ausführungsform können hinsichtlich der Ausnutzung des Reaktorraums besonders zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. In der Tat gestattet die rechteckige Querschnittsfläche des Mantels 2 eine optimale Nutzung des inneren Reaktorraums zur Aufnahme des Katalysators der katalytischen Betten 6 und der Rohre der Wärmetauscher 8.
Außerdem sind die vorerwähnten ersten und zweiten Mantelabschnitte 5, 7 vorteilhafter Weise Module mit identischer Querschnittsgröße.
Durch die Bezeichnung "identische Querschnittsgröße" soll zum Ausdruck gebracht werden, dass jeder Abschnitt 5, 7 dieselbe Querschnittsfläche und Formgebung aufweist. Diese Abschnitte können möglicherweise auch gleich breit sein.
So erhält man einen Reaktor mit konstanter Querschnittsfläche, womit der Förderstrom der gasförmigen Phase diesen leichter durchläuft.
Vorteilhafter Weise lassen sich die Abschnitte 5 und 7 in verschiedener Reihenfolge zusammensetzen, um so die katalytischen Betten und Wärmetauscher entsprechend der speziellen chemischen Reaktion, die ausgeführt werden soll, abwechselnd anzuordnen. Beispiele für so erhaltene Reaktoren sind in 1 und 4 gezeigt. Der Reaktor von 1 eignet sich besonders für Reaktionen mit katalytischer Oxidation, Hydrogenierung, Dehydrogenierung und Wasserabspaltung. Dagegen ist der Reaktor von 4 von Vorteil, wenn eine bestimmte Verweilzeit für das Reaktionsgas zwischen aufeinander folgenden katalytischen Reaktionsstufen gegeben sein muss, oder wenn die vorzusehende Katalysatormenge erhalten wird, indem zwei oder mehr erste Abschnitte in Standardgröße gekoppelt werden, oder wenn Re aktionspartner oder Lösungsmittel zwischen zwei aufeinander folgenden katalytischen Betten eingeleitet werden.
Mit anderen Worten sind die den Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung bildenden Mantelabschnitte vorteilhafter Weise untereinander austauschbar und können in der gewünschten Reihenfolge abhängig von der Reaktionsart, der geforderten Produktivität oder dem geforderten Reaktionsertrag zusammengesetzt werden.
Jeder dem katalytischen Bett zugeordnete Abschnitt 5 ist mit einer Katalysatoreinlassöffnung 11 und einer Katalysatorauslassöffnung 12 ausgestattet, um den speziell für die chemische Reaktion erforderlichen Katalysator in das katalytische Bett 6 einzufüllen bzw. von diesem abzulassen.
Analog dazu ist jeder dem Wärmetauscher zugeordnete Abschnitt 7 des Reaktors 1 vorteilhafter Weise mit einer Einlassdüse 9 und einer Auslassdüse 10 zum Einlass bzw. Auslass eines Wärmetauscherfluids ausgestattet, die im Falle einer exothermen Reaktion ein Kühlfluid wie Kühlwasser, Kesselspeisewasser, diathermisches Öl, Siedeflüssigkeiten sein kann, oder im Falle einer endothermen Reaktion ein Erwärmungsfluid wie Dampf, Kondensationsfluide, geschmolzene Salze sein kann.
Die Mantelabschnitte 5 und 7 werden über herkömmliche Mittel (nicht dargestellt) an entsprechenden Kupplungsflanschen 15 aneinander befestigt. Herkömmliche Mittel zum Befestigen der Flansche 15 sind z.B. Schrauben, Bolzen oder Zugstäbe.
Schließlich sind die Deckel 3 und 4 mit Öffnungen 13 und 14 zum Einlass des Reaktionsgases bzw. Auslass der Reaktionsprodukte ausgestattet.
Die Synthesegase werden in die Einlassöffnung 13 eingeleitet und strömen dann in den dem ersten katalytischen Bett zugeordneten ersten Abschnitt 5, wo die erste katalytische Stufe der Reaktion abläuft.
An die katalytische Stufe schließt sich eine Wärmetauscherstufe an, die in dem dem Wärmetauscher 8 zugeordneten, zweiten Abschnitt 7 durchlaufen wird.
Bei einer exothermen katalytischen Reaktion entsteht im katalytische Bett 6 Wärme, die dann im Wärmetauscher 8 des darauf folgenden zweiten Abschnitts 7 an ein Kühlfluid abgegeben wird, das durch die Einlassdüse 9 eintritt und über die Auslassdüse 10 austritt.
Beim Durchgang von einem Mantelabschnitt zum anderen ist die Gasdichtheit durch die zuvor erwähnten Kupplungsflansche 15 gewährleistet, die gasdicht aneinander befestigt sind.
Die Flansche 15 sind so konstruiert, dass sie leicht zusammengesetzt werden können, um die richtige Gasdichtheit an alten Mantelabschnitten des Reaktors zu erhöhen.
Die Gasdichtheit zwischen den Abschnitten lässt sich vorteilhafter Weise unabhängig von der Anzahl und Reihenfolge gewährleisten, in der die verschiedenen Abschnitte zusammengesetzt sind.
Außerdem kann jedes abschnittweise Zusammensetzen bzw. jede abschnittsweise Demontage mehrere Male durchgeführt werden, ohne dass dies zu irgendeiner mechanischen oder baulichen Schwierigkeit führen würde.
Bei dem in den Figuren gezeigten Beispiel liegt der Reaktor horizontal. Bei Verwendung der oben erwähnten Mantelabschnitte können auch andere Ausrichtungen wie z.B. eine vertikale Ausrichtung erhalten werden.
Die Anzahl der ersten und zweiten, je nach den zu durchlaufenden Reaktionsstufen zusammengesetzten Abschnitte macht die Länge des Reaktors 1 aus.
Mit Bezug auf 2 ist der dem katalytischen Bett zugeordnete Abschnitt 5 im Einzelnen gezeigt.
Gemäß dieser Ausführungsform hat der erste rohrförmige Mantelabschnitt 5 mit Quaderform eine rechteckige Querschnittsfläche und ist an der Vorder- und Rückseite offen, die mit 16 angegeben sind.
Die Fläche der rechteckigen Öffnungen 16 entspricht der inneren Querschnittsfläche des ersten Mantelabschnitts 5.
Das den Katalysator enthaltende katalytische Bett 6 ist im Inneren des ersten Mantelabschnitts 5 in einem Raum aufgenommen, der durch die Innenwand des Mantelabschnitts und zwei gasdurchlässige Wände 18 definiert ist, die an Vorder- und Rückseite 16 angeordnet sind.
Jedes katalytische Bett 6 dieser Erfindung ist senkrecht zur Längsachse A des Reaktors angeordnet; auf diese Weise ist der Abstand zwischen jedem katalytischen Bett vorteilhafter Weise auf das Minimum reduziert.
Die Katalysatoreinlass- und -auslassöffnungen 11 und 12, die sich oben bzw. unten der zugeordneten ersten Abschnitte 5 befinden, gestatten einen leichten Zugang zum Katalysator. Diese Öffnung ist entweder kreisrund oder rechteckig. Jede Öffnung hat einen entsprechenden Deckel 19, damit das katalytische Bett 6 während der Betriebszeit verschlossen werden kann.
Der Katalysator lässt sich über die zuvor erwähnten Öffnungen 11 und 12 leicht durch Schwerkraft unterstützt in den dem katalytischen Bett zugeordneten Abschnitt 5 einfüllen bzw. daraus entfernen.
Auf diese Weise kann der Katalysator schnell und häufig ausgewechselt werden.
Dank der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung des Reaktors der vorliegenden Erfindung der Vorgang des Austauschens des Katalysators schnell und wirtschaftlich, selbst bei Reaktionen geringen und mittleren Drucks, die durch einen häufigen Wechsel des Katalysators gekennzeichnet sind.
Die Kupplungsflansche 15 können rechteckig sein und sind entlang des Außenumfangs der Vorder- und Rückseite 16 des Abschnitts 5 angeordnet. Jeder Kupplungsflansch 15 hat vorzugsweise mehrere kreisförmige Bohrungen 17 entlang seines gesamten Umfangs.
Mit besonderem Bezug auf 3 ist ein dem Wärmetauscher zugeordneter Abschnitt 7 im Einzelnen gezeigt.
In 3 sind die Einzelheiten des zweiten Abschnitts 7 konstruktiv und funktional äquivalent zu Abschnitt 5 von 2, sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht näher beschrieben.
Insbesondere befindet im Inneren des zweiten Abschnitts 7 ein Wärmetauscher 8, der aus einer Vielzahl von Rohren 20 besteht, die von Rohrplatten gehaltert sind, einer Platte 21 am oberen Ende und einer Platte 22 am unteren Ende der Rohre 20.
Die Rohre 20 sind in Fluidverbindung mit einer Kammer 23 über der Rohrplatte 21.
Diese Kammer 23 ist im Mantel durch einen Behälter (oder Kanal) 7a gebildet, in dem sich das im Rohrbündel strömende Fluid sammelt. Am unteren Ende der Rohre unterhalb der Platte 22 befindet sich eine Kammer 24.
Diese Kammer 24 ist in Fluidverbindung mit den Rohren 20 und durch einen Behälter (oder Kanal 7b) im Mantel gebildet.
Unten am zweiten Mantelabschnitt 7 befindet sich die Einlassdüse 9 für das Kühlfluid, und oben ist die Auslassdüse 10 für das Kühlfluid.
Der erste und zweite Mantelabschnitt 5, 7 werden mit herkömmlichen Mitteln – zum Beispiel Schrauben – aneinander befestigt, die durch die Bohrungen 17 hindurchgehen, um so die Kupplungsflansche 15 zu fixieren.
Die mehreren Bohrungen 17 sind für jeden einzelnen Kupplungsflansch 15 in Größe und Position identisch, wodurch man auf diese Weise die sich berührenden Flansche zweier benachbarter Mantelabschnitte verschrauben kann. Dies kann auch unter Zwischenfügung von Dichtungen gemacht werden, wenn man herkömmliche Bolzen oder Zugstäbe verwendet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (nicht dargestellt) können die Kupplungsflansche 15 keine Bohrungen 17 aufweisen und einfach nur durch Klemmen zusammengehalten sein.
Der Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung gewährleistet in vorteilhafter Weise eine optimale Temperatursteuerung bei allen Wärmestufen.
Der hohe Betriebswirkungsgrad, der jeden Wärmetauscher 8 kennzeichnet, ist erhöht, um die Temperatur innerhalb des Reaktors in einem Schwankungsbereich zu steuern, der unter 1°C gehalten werden kann.
Ein weiterer Vorteil der horizontalen katalytischen Reaktoren ist die Auslegung jedes katalytischen Betts 6; da es senkrecht zur Längsachse A des Reaktors 1 liegt, bietet eine solche Ausrichtung eine starke Reduzierung des Bauraums.
Gemäß einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform ist die Erfindung mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche verwirklicht.
Bei dieser zweiten Ausführungsform, die vorteilhafter Weise für Betriebseinsätze mit höherem Druck arbeitet, haben die dem katalytischen Bett zugeordneten als auch die dem Wärmetauscher zugeordneten Abschnitte eine kreisförmige Querschnittsfläche. Demzufolge sind alle Teile, aus denen sich die Mantelabschnitte zusammensetzen, so konstruiert, dass sie sich in den kreisförmigen Querschnitt einpassen. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der zuvor beschriebene und in 1 gezeigte Reaktor dem katalytischen Bett zugeordnete Abschnitte 5 und dem Wärmetauscher zugeordnete Abschnitte 7, die so angeordnet sind, dass man abwechselnd eine Katalysatorstufe und eine Wärmetauscherstufe erhält.
Durch die Montage dieser Abschnitte entsteht ein typischer Reaktor, der auf adiabaten Reaktionsstufen basiert, in denen nach jeder Katalysatorstufe ein Wärmeaustausch stattfindet.
Wie oben erläutert ist es dank der vorliegenden Erfindung möglich, unter Verwendung gleicher Abschnitte, die aber in verschiedener Reihenfolge und Anzahl zusammengebaut sind, eine andere Reaktorauslegung zu erhalten.
Es könnte von Vorteil sein, beispielsweise wegen des Einsatzes eines neuen Katalysators, eine Reaktion ablaufen zu lassen, die eine erweiterte Katalysatorstufe braucht, an die sich eine erweiterte Wärmetauscherstufe anschließt.
Dies lässt sich mit der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise erzielen, indem einfach gruppenweise dem katalytischen Bett zugeordnete Abschnitte 5 zusammengesetzt werden, beispielsweise zwei Abschnitte in jeder Gruppe, und man abwechselnd dazu Gruppen anordnet, die aus zwei dem Wärmetauscher zugeordneten Abschnitten 7 bestehen.
Infolge dieser Zusammensetzung von Mantelabschnitten wird ein wie in 4 gezeigter Reaktor 25 erhalten.
Der Reaktor 25 besteht im Hinblick auf den Reaktor 1 von 1 aus derselben Art von Abschnitten, ermöglicht aber die Ausführung einer Reaktion, die sich von der im Reaktor 1 ausgeführten Reaktion wesentlich unterscheidet.
Die zuvor mit Bezug auf die vorliegende Erfindung beschriebenen Ausführungsformen sind zur Ausführung von in erster Linie adiabatischen Stufen konzipiert und lassen sich auf jeden Prozess zur Durchführung einer kataly tischen, exothermen oder endothermen chemischen Reaktion in einem modularen chemischen Reaktor anwenden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein modularer Reaktor entworfen werden, der isothermische oder pseudoisothermische, katalytische Reaktionen ausführt.
Diese besondere Ausführungsform ist z.B. in 5 gezeigt. Die Einzelheiten des modularen Reaktors sind konstruktiv und funktionell äquivalent zu denen der Reaktoren von 1 und 4, sind mit denselben Bezugszahlen angegeben und werden nicht näher beschrieben.
Gemäß 5 umfasst ein modularer chemischer Reaktor 26 für exotherme oder endotherme katalytische Reaktionen in der gasförmigen Phase mehrere rohrförmige Mantelabschnitte 27 des Mantels 2.
In seinem Inneren ist jedem rohrförmigen Mantelabschnitt 27 zumindest ein katalytisches Bett 6 zugeordnet und enthält eine Wärmetauschereinrichtung wie einen Wärmetauscher 8, der in den Katalysator eingetaucht ist.
Am Reaktor 26 sind auch Mittel (nicht gezeigt) zum Zusammenbauen der mehreren rohrförmigen Mantelabschnitte 27 an den entsprechenden Kupplungsflanschen 15 vorgesehen. Beispiele für Montagemittel sind Schrauben, Bolzen oder Zugstäbe, die ein gasdichtes Befestigen der Flansche 15 gestatten.
Dank des Vorsehens eines Wärmetauschers 8 im katalytischen Bett 6 in den rohrförmigen Mantelabschnitten 27 kann die Wärme während der chemischen Reaktion vorteilhafter Weise zugeführt oder abgezogen werden, womit die Temperatur jeder katalytischen Stufe im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Während in der vorausgegangenen Beschreibung diese Erfindung in Bezug auf eine bestimmte bevorzugte Ausführungsform von ihr beschrieben wurde, und zum Zwecke der Darstellung viele Einzelheiten dargelegt wurden,

Claims

Modularer chemischer Reaktor (1) für katalytische Reaktionen in gasförmiger Phase, mit einem Mantel (2), der umfasst: – wenigstens einen ersten rohrförmigen Mantelabschnitt (5); – wenigstens ein katalytisches Bett (6), das anlagenintern dem wenigstens einen ersten rohrförmigen Mantelabschnitt (5) zugeordnet ist; – wenigstens einen zweiten rohrförmigen Mantelabschnitt (7); wenigstens einen Wärmetauscher (8), der anlagenintern dem wenigstens einen zweiten rohrförmigen Mantelabschnitt (7) zugeordnet ist; – Einrichtungen, um den wenigstens einen ersten rohrförmigen Mantelabschnitt (5) an den wenigstens einen zweiten rohrförmigen Mantelabschnitt (7) anzumontieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (8), der anlagenintern einem jeweiligen zweiten rohrförmigen Mantelabschnitt (7) zugeordnet ist, in Bezug auf den zweiten rohrförmigen Abschnitt (7) herausnehmbar ist.
Modularer chemischer Reaktor (1) nach Anspruch 1, bei dem der wenigstens eine erste Abschnitt (5) und der wenigstens eine zweite Abschnitt (7) untereinander austauschbar sind.
Modularer chemischer Reaktor (1) nach Anspruch 1, bei dem der wenigstens eine erste Abschnitt (5) und der wenigstens eine zweite Abschnitt (7) vom Aufbau her unabhängig sind.
Modularer chemischer Reaktor (1) nach Anspruch 1, bei dem der wenigstens eine erste Abschnitt (5) und der wenigstens eine zweite Abschnitt (7) dieselbe Querschnittsgröße in Bezug aufeinander haben.
Modularer chemischer Reaktor (1) nach Anspruch 1, bei dem der Mantel (2) eine rechteckige Querschnittsfläche hat.
Modularer chemischer Reaktor (1) nach Anspruch 1, bei dem der Mantel (2) eine kreisförmige Querschnittsfläche hat.
Modularer chemischer Reaktor (1) nach Anspruch 1, bei dem das katalytische Bett (6), das anlagenintern einem jeweiligen ersten rohrförmigen Mantelabschnitt (5) zugeordnet ist, in Bezug auf den ersten rohrförmigen Abschnitt (5) herausnehmbar ist.
Modularer chemischer Reaktor (26) nach Anspruch 1, bei dem jeder rohrförmige Mantelabschnitt (27) ein katalytisches Bett (6) sowie eine Wärmetauschereinrichtung (8) umfasst, die in den Katalysator eingetaucht ist, die anlagenintern dem rohrförmigen Mantelabschnitt (27) zugeordnet sind.