DE68924834T2 - Methode zur In-situ-Umrüstung eines axial durchströmten Kohlenmonoxidkonversionsreaktors. - Google Patents
Methode zur In-situ-Umrüstung eines axial durchströmten Kohlenmonoxidkonversionsreaktors.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum Nachrüsten eines bestehenden Axialstrom-Kohlenmonoxid-Umwandlungsreaktors vor Ort, der einen druckfesten Mantel aufweist, welcher wenigstens ein Katalysatorbett enthält, um den Reaktor in einen Reaktor mit im wesentlichen radialer oder axialer Durchströmung umzuwandeln.
- Eine der Grundoperationen beim Vorbereiten von Synthesegasen für NH&sub3; (N&sub2; + H&sub2; Mischung) ist die Umwandlung von CO in CO&sub2; und H&sub2; gemäß der folgenden chemischen Reaktion:
- H&sub2;0+CO CO&sub2;+H&sub2;
- Diese Reaktion findet in modernen Ammonium-Fertigungsstraßen in zwei Stufen bei einem Druck von etwa 30 bis 40 kg/cm² statt, nämlich:
- - in einer ersten Stufe bei Hochtemperatur, bei der das Gas bei einer Temperatur von 350 bis 400 ºC auf einem Eisenoxidkatalysator reagiert und bei dem das CO&sub2; von 17 bis 20 Mol% auf Bezugsbasis Trockenmasse zu einem Rest von 3 %, noch immer auf Bezugsbasis Trockenmasse umgewandelt wird,
- - in einer zweiten Stufe bei einer niedrigen Temperatur, bei etwa 200 bis 250 ºC und unter Verwendung eines Katalysators auf Kupferbasis.
- Während dieser zweiten Stufe, mit der niedrigeren Temperatur, richtet sich das Gleichgewicht auf die Umwandlung des Kohlenmonoxids, und es ist möglich, einen sehr geringen CO-Rest zu erhalten (etwa 0,3 Mol% auf einer Bezugsbasis Trockenmasse), so daß die nachfolgende Reinigungsbehandlung vereinfacht wird (Eliminieren von CO&sub2; durch Waschen mit geeigneten Lösungsmitteln und Eliminieren des restlichen CO durch Methanisierung oder durch Waschen mit flüssigem Stickstoff).
- Die Umwandlungsreaktionen finden in großen Axialstrom-Wandlern statt, mit adiabatischem Betrieb (weshalb sich auf Grund der exothermen Reaktion die Temperatur erhöht), üblicherweise nicht mit voller Kraft und mit einem merklichen Druckabfall, unter Berücksichtigung des Axialstroms und der großen Menge des verwendeten Gases.
- Die Katalysatoren, welche heute häufig verwendet werden, haben Tablettenform mit einer mittleren oder kleinen Korn- oder Granulatgröße. Katalysatoren mit geringer Granulatgröße (z.B. 6,4 x 3,2 mm) sind aktiver als Katalysatoren mit mittlerer Granulatgröße (z.B. 9,5 x 4,7 mm).
- Der Einsatz wird jedoch durch die Tatsache behindert, daß sie in Axialstrom-Katalysatorbetten einen enorm großen Druckabfall mit sich bringen.
- Um den Druckabfall innerhalb der bekannten Axialstrom-Kohlenmonoxid-Wandler zu vermindern, wurde in der FR-A-1.068.440 vorgeschlagen, letzteren durch neue Wandler zu ersetzen, bei denen ein oder mehrere Katalysatorbetten radial von dem Speisegas und/oder dem teilweise reagierten Gas durchströmt werden.
- Auf dem Gebiet der Ammonium- oder Methanolsynthese und zum Vermindern des Energieverbrauchs innerhalb der bekannten Axialstrom-Reaktoren wurde ferner in der EP-A-0 202 454 vorgeschlagen, vorhandene axiale Betten vor Ort in neue Katalysatorbetten umzugestalten, wobei die Fluidströmung radial oder axial-radial auftritt.
- Es sei jedoch betont, daß die EP-A-0 202 454 oder die entsprechende US-A-4 755 362 nicht erwähnen, daß ein Verfahren für die Modifikation vor Ort vorteilhaft auch für Reaktoren zum Umwandeln von CO in CO&sub2; angewendet werden könnte.
- Schließlich gibt es in der US-A-4 372 920 eine Beschreibung von neu hergestellten Axial-Radial-Reaktoren, d.h. Reaktoren, welche nicht durch Modifizieren vorhandener Reaktoren vor Ort erhalten werden.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Nachrüstungsverfahren vorzusehen, mit den ein Kohlenmonoxid-Wandler erhalten werden kann, welcher einerseits im Betrieb einen geringen Druckabfall aufweist und andererseits einen einfacheren und kompakteren Aufbau sowie einen höheren thermischen Wirkungsgrad hat.
- Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:
- - Einfügen einer ersten perforierten zylindrischen Wand in den Reaktor bei einer Position in der Nähe des Mantels, um eine perforierte zylindrische Außenwand für das Katalysatorbett zu bilden, wobei die Außenwand einen Durchmesser hat, der kleiner ist als der des Mantels,
- - Einfügen einer zweiten perforierten zylindrischen Wand in den Reaktor bei einer im wesentlichen zentral angeordneten Position des Reaktors, um eine perforierte zylindrische Innenwand für das Katalysatorbett zu bilden, wobei die Innenwand einen kleineren Durchmesser als die Außenwand hat und wobei die Außenwand, die Innenwand und ein Teil des druckfesten Mantels einen Raum zum Einschließen von mindestens einem Katalysatorbett eingrenzen,
- - Vorsehen der Kohlenmonoxid-Umwandlungs-Katalysatortabletten in dem Raum, welcher die Katalysatorbetten enthält, und
- - Einfügen eines Wärmetauschers in den Reaktor, welcher Mittel zum indirekten Kühlen aufweist, um Wärme zwischen Kohlenmonoxid-Speisegas und Reaktionsgas von dem Katalysatorbett auszutauschen, und Positionieren des Wärmetauschers in einer im wesentlichen zentral angeordneten Öffnung, welche sich im wesentlichen in derselben Richtung wie das Katalysatorbett erstreckt.
- Die verschiedenen Aspekte und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich am besten aus der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter, jedoch nicht einschränkender Ausführungsformen des beanspruchten Verfahrens, welche mit Bezug auf die in der Zeichnung gezeigten Reaktoren der Erläuterung dienen, wobei diese schematisch und im Längsschnitt längs der Hauptachse des Reaktors gezeigt sind.
- Um vorab einen besseren Eindruck zu vermitteln, zeigt die Figur 1 sehr schematisch einen herkömmlichen Axialstrom-Reaktor, während die anderen Figuren Reaktoren zeigen, die mit dem Nachrüstverfahren gemäß dieser Erfindung erhalten werden.
- In den Figuren bezeichnet M einen druckfesten Mantel eines vorhanden Axialstrom-Reaktors 1, wobei der Mantel bei dieser Erfindung unverändert bleibt.
- Ebenso bleiben Einlässe GI (z.B. zum Einlassen von CO, welches als U1 bezeichnet ist) und GI' (z.B. zum Einlassen von Dampf, welcher als U2 bezeichnet wird) unverändert (siehe zum Vergleich Figur 2), ebenso wie der Auslaß GO für das Reaktionsgas (GR) durch die Bodenöffnung 14.
- In Figur 1 besteht das Katalysatorbett LC aus einer durchgehenden Vollmasse eines Katalysators C in direktem Kontakt mit der Innenwand des Mantels M.
- Die Gase U1 und U2 werden über einer freien Oberfläche GP des Bettes LC in den Reaktor 1 gelassen, wobei das Katalysatorbett dann von einem nach unten gerichteten Axialstron durchquert wird, welcher einen beträchtlichen Druckabfall induziert.
- Gemäß dieser Erfindung wird der vorhandene Axialstromreaktor 1 vor Ort modifiziert, indem ( z.B. über ein nicht gezeigtes Einstiegsloch) ein Kollektor oder eine perforierte zylindrische Außenwand Pe und ein Kollektor oder eine zylindrische Innenwand Pi in diesen eingefügt werden, welche vorzugsweise einen einzelnen nicht perforierten Längsabschnitt ZNF mit einer Höhe "h" hat, wobei beide Wände in einer Patrone CU enthalten sind. Die äußere Wand Pe ist längs ihrer ganzen Länge H perforiert.
- Bei dem in Figur 2 gezeigten nachgerüsteten Reaktor ist die Innenwand Pi wie ein invertiertes oder umgekehrtes Rohr TU geformt, wodurch eine Gassammelkammer 20 abgegrenzt wird.
- Das eingehende Gas läuft nun durch die obere Zone ZNF mit der Höhe "h" in einem axialen Strom und durch die Hauptzone mit der Höhe "H" in einem nach innen gerichteten radialen Strom von einem ringförmigen Luftraum 3 zu der Gassammelkammer 20.
- Um die vorliegende Erfindung verständlicher zu machen, wurden in Figur 2 absichtlich die Wärmetauscher nicht dargestellt, welche innerhalb von Pi angeordnet sind.
- Figur 3 zeigt einen anderen nachgerüsteten Reaktor, mit einem mittleren Rohr TU' und einem Rohr-Wärmetauscher EX innerhalb von Pi.
- In Figur 3 strömt das frische Reaktionsgas U2, welches von GI' kommt, von oben nach unten längs des Luftraums 3 zwischen dem Mantel M und der Patrone CU (und hält somit die Innenseite von M kühl), strömt wieder (3') innerhalb der Rohre 10 und 11 des Tauschers EX nach oben (welcher von dem außerhalb der Rohre 10 und 11 zirkulierenden Reaktionsgas GR vorgewärmt wurde), tritt bei EX (3") und bei dem Auslaß 30 (3"') aus, vermischt sich mit frischem Reaktionsgas U1, das von der Quenschvorrichtung QGI kommt, und strömt wiederum durch das Katalysatorbett LC nach unten.
- Auch in diesem Fall wird der nicht perforierte kleinere Abschnitt ZNF des Bettes LC axial von den Gasen durchströmt, während der Rest des Bettes radial längs der Zone H-h durchströmt wird, wobei H die perforierte Höhe der Außenwand Pe, von einem äußeren Luftraum SI zu einem inneren Luftraum 20', ist, welcher zwischen Pi und EX definiert ist.
- Die Reaktionsgase GR strömen dann nach oben in den Luftraum 20' (wie bereits erwähnt), nach unten und mantelseitig in den Tauscher EX, so daß sie auf die Rohre 10 und 11 auftreffen, erreichen einen Einlaß 21 des zentralen Rohres TU' und verlassen schließlich den Reaktor 1 durch die Öffnung 14.
- Aufgrund des im wesentlichen radialen Stromes innerhalb des Bettes LC kann der Katalysator C nun eine kleine Kerngröße aufweisen.
- Gleich vorteilhafte Ausführungsformen wurden ausprobiert, bei denen Pi vollständig perforiert und Pe weitgehend perforiert waren, bei denen das Katalysatorbett LC einen kleineren massiven Teil in Kontakt mit TU hat, und so weiter, insbesondere gemäß den verschiedenen Ausführungsformen, welche in den US- Patenten US-A-4 372 920 und US-A-4 755 362 beschrieben sind, so daß die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen, auch wenn dies bevorzugte Ausführungsformen sind, der Erläuterung dienend und nicht beschränkend zu verstehen sind.
- Der externe Kollektor Pe und der interne Kollektor Pi bestehen vorzugsweise aus mehreren Teilen (z.B. 8 Teile), wobei jedes eine solche Größe hat, daß es durch das Einstiegsloch hindurch paßt; die Teile werden innerhalb des Mantels M und der Patrone CU zusammengesetzt (geschweißt).
- Die Teile, welche ein Kollektor bilden, bestehen vorzugsweise aus einem Netz und einer Brücken-Perforationsplatte.
Claims (7)
1. Verfahren zum Nachrüsten eines bestehenden Axialstrom-
Kohlenmonoxid-Umwandlungsreaktors vor Ort, wobei der
Reaktor einen druckfesten Mantel (M) aufweist, der
mindestens ein Katalysatorbett (LC) enthält, um den Reaktor in
einen Reaktor mit im wesentlichen radialer oder
axialradialer Durchströmung umzuwandeln, mit folgenden
Verfahrenschritten:
- Einfügen einer ersten perforierten zylindrischen
Wand in den Reaktor bei einer Position in der Nähe
des Mantels (M), um eine perforierte zylindrische
Außenwand (Pe) für das Katalysatorbett (LC) zu
bilden, wobei die Außenwand (Pe) einen Durchmesser hat,
der kleiner ist als der des Mantels (M),
- Einfügen einer zweiten perforierten zylindrischen
Wand in den Reaktor bei einer in wesentlichen
zentral angeordneten Position des Reaktors, um eine
perforierte zylindrische Innenwand (Pi) für das
Katalysatorbett zu bilden, wobei die Innenwand (Pi)
einen kleineren Durchmesser als die Außenwand (Pe)
hat, und wobei die Außenwand (Pe), die Innenwand
(Pi) und ein Teil des druckfesten Mantels (M) einen
Raum zum Einschließen von mindestens einem
Katalysatorbett (LC) eingrenzt,
- Vorsehen der
Kohlenmonoxid-Umwandlungs-Katalysatortabletten in dem Raum, welcher die Katalyastorbetten
einschließt, und
- Einfügen eines Wärmetauschers (EX) in den Reaktor,
welcher Mittel zum indirekten Kühlen aufweist, um
Wärme zwischen Kohlenmonoxid-Zuführgas und
Reaktionsgas von dem Katalysatorbett (LC) auszutauschen,
und Positionieren des Wärmetauschers (EX) in einer
im wesentlichen zentral angeordneten Öffnung, welche
sich im wesentlichen gleich wie das Katalysatorbett
(LC) erstreckt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß eine der äußeren (Pe) und inneren (Pi) Wände
einen nicht perforierten Abschnitt (ZNF) aufweist, um
einen axial-radialen Strom durch das Katalysatorbett (LC)
zu bewirken.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich,
net, daß ferner die unteren Enden der ersten und der
zweiten perforierten zylindrischen Wand in Kontakt mit
dem druckfesten Mantel (M) angeordnet werden, um einen
offenen oberen Abschnitt des Raumes zu definieren,
welcher den Katalysator einschließt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß ferner eine Patronen (CU)- Wänd zum
Einschließen der äußeren (Pe) und der inneren (Pi) Wand und des
Katalysatorbetts (LC) in den Reaktor eingefügt wird und
die Patrone (CU) zwischen der Außenwand (Pe) und dem
Mantel (M) positioniert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß ferner Mittel zum Zusetzen von Quenchgas (QGI)
in den Reaktor in diesen eingefügt werden und daß die
Mittel zum Zusetzen von Quenchgas über dem
Katalysatorbett angeordnet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Katalysatortabletten zum Umwandeln von
Kohlenmonoxid eine Größe von 9,5 x 4,7 mm haben.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das die Katalysatortabletten zum Umwandeln von
Kohlenmonoxid eine Größe von 6,4 x 3,2 mm haben.
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