DE69732781T2

DE69732781T2 - Verfahren zur in-situ Modernisierung eines heterogenen exothermen Synthesereaktors

Info

Publication number: DE69732781T2
Application number: DE69732781T
Authority: DE
Inventors: Giorgio Pagani; Ermanno Filippi
Original assignee: Ammonia Casale SA
Current assignee: Casale SA
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2017-11-29
Also published as: CA2254694A1; CA2254694C; UA73466C2; BR9804750A; EP0931586A1; CN1166446C; RU2217230C2; ID21407A; DE69732781D1; US6299849B1; CN1223169A; EP0931586B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur in-situ Modernisierung eines heterogenen, exothermen Synthesereaktors, der eine äußere Hülle aufweist, in der eine Vielzahl übereinander und im gegenseitigen Abstand zueinander liegender, katalytischer Betten gehalten werden.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Modernisierungsverfahren derjenigen Art, die die folgenden einleitenden Schritte umfasst:

– Bereitstellen zumindest eines ersten katalytischen Betts in einem oberen Abschnitt der Hülle und zumindest eines zweiten katalytischen Betts in einem unteren Abschnitt der Hülle; wobei das erste und das zweite Bett mit einem ersten Katalysator geladen werden, der eine vorbestimmte Aktivität hat.

In der nachstehenden Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen soll der Ausdruck „in-situ Modernisierung" die an Ort und Stelle erfolgende Modifizierung eines bereits bestehenden Reaktors bedeuten, um dessen Leistungsfähigkeit zu verbessern und z.B. eine Produktionskapazität und/oder Umwandlungsausbeute zu erzielen, die mit der/denen eines neu erbauten Reaktors vergleichbar ist.
In der Terminologie dieses technischen Gebiets wird diese Art von Modernisierung auch als Nachrüsten oder Umarbeiten bezeichnet.
In der nachstehenden Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen soll der Ausdruck „oberer Abschnitt bzw. unterer Abschnitt der Hülle" den Raum innerhalb der Hülle bezeichnen, der in der oberen bzw. unteren Hälfte derselben gebildet ist. Genauer gesagt nimmt der obere Abschnitt im Allgemeinen ca. 20 bis 50 % des Innenraums der Hülle ein, während der untere Abschnitt ca. 50 bis 80 % desselben einnimmt.
Bekanntermaßen müssen auf dem Gebiet der heterogenen exothermen Synthese im Allgemeinen – und bei der Herstellung von Ammoniak und Methanol im Besonderen – zwei Anforderungen erfüllt werden, und zwar ist es zur Steigerung notwendig, einem doppelten Bedarf nachzukommen, d.h. auf der einen Seite die Produktionskapazität von bereits bestehenden Synthesereaktoren zu erhöhen und auf der anderen Seite eine Verbesserung der Umwandlungsausbeute und eine Reduzierung des Energieverbrauchs des Reaktors zu erzielen.
Stand der Technik
In US 2 646 391 sind Reaktoren mit einer Vielzahl übereinander und im gegenseitigen Abstand zueinander liegender, katalytischer Betten offenbart, wobei die Betten unterschiedliche Reaktionsvolumina entlang der Heizkammer des Reaktors aufweisen.
Um dem oben angegebenen Bedarf gerecht zu werden, hat die sog. Technologie der Modernisierung von bereits bestehenden Reaktoren immer breitere Akzeptanz gefunden, wobei sie darauf abzielt, einen teueren Austausch des Reaktors zu vermeiden und gleichzeitig die größtmögliche Umsetzung zu erzielen, die mit den verfügbaren Katalysatorvolumina noch verträglich ist.
Beispielsweise in US-A-5 585 074 ist ein Modernisierungsverfahren offenbart, das auf dem Austausch des katalytischen Betts bzw. der katalytischen Betten eines bereits bestehenden Reaktors durch neue Betten in Radialbauart oder axial/radialer Bauart mit hohem Ausstoß basiert, und bei dem die zwischenzeitlich erfolgende Kühlung der zwischen den ver schiedenen katalytischen Betten strömenden Gase beim modernisierten Reaktor über einen indirekten Wärmeaustausch in zwei Gas-Gas Wärmetauschern bewerkstelligt wird, die sich zwischen dem ersten und zweiten Bett bzw. im dritten katalytischen Bett befinden.
Obwohl sie in bestimmter Art und Weise vorteilhaft sind, ist es bei den Modernisierungsverfahren gemäß dem Stand der Technik nicht möglich, Umsetzungsausbeuten zu erzielen, die mit denen vergleichbar sind, die man mit den neuesten Synthesereaktoren erhalten kann, die einen speziellen, auf Ruthenium basierenden Katalysator mit hoher Reaktionsaktivität einsetzen.
Tatsächlich wird aber bei Verfahren dieser Art die Möglichkeit der Modernisierung von bereits bestehenden Reaktoren, indem man einen Aufbau realisiert, in dem der zuvor erwähnte hochwirksame Katalysator bei niedrigen Investitionskosten effektiv enthalten sein kann, nicht in Erwägung gezogen.
Dies ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass die Anordnung und die Volumina der katalytischen Betten eines modernisierten Reaktors für einen herkömmlichen Katalysator gedacht sind, und von daher zur Verwendung mit einem hochwirksamen Katalysator eine schlechte Eignung an den Tag legen.
Insbesondere erfordern die kinetischen und thermodynamischen Eigenschaften von herkömmlichen Katalysatoren Reaktionsräume, die wesentlich größer sind als diejenigen, die man bei Verwendung eines hochwirksamen Katalysators braucht.
Dementsprechend ist der Gesamtreaktionsraum eines gemäß den Verfahren aus dem Stand der Technik modernisierten Reaktors zur Verwendung mit einem hochwirksamen Katalysator deutlich überdimensioniert, bzw.
wäre für den Fall, dass der Reaktionsraum so weit wie möglich ausgenutzt werden soll, die in die Betten zu ladende Menge an hochwirksamem Katalysator so groß, dass dies abschreckend hohe Investitionskosten erforderlich machen würde.
Hinsichtlich dieses Aspekts ist es betonenswert, dass der auf Ruthenium basierende Katalysator bis heute – wegen seiner extrem hohen Kosten – eine sehr begrenzte Anwendung in der Praxis gefunden hat, obwohl seine besondere Reaktionsaktivität nun schon seit über 10 Jahren bekannt ist und man auf diesem Fachgebiet mehr und mehr die Notwendigkeit verspürt, die Umwandlungsausbeute von heterogenen, exothermen Synthesereaktoren zu steigern.
Wie dem auch sei, der Einsatz derartiger Katalysatoren ist heutzutage auf neu erbaute Reaktoren beschränkt, deren Realisierung von daher sehr hohe Investitionskosten mit sich bringt, zusätzlich zu den Kosten für den Katalysator.
Zusammenfassung der Erfindung
Das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Problem besteht darin, ein Verfahren zur Modernisierung eines heterogenen, exothermen Synthesereaktors bereitzustellen, mit dem sich die Umwandlungsausbeute im Vergleich mit derjenigen, die durch die Modernisierungsverfahren gemäß dem Stand der Technik erzielbar ist, merklich steigern lässt, bei gleichzeitig niedrigen Investitions- und Betriebskosten und mit geringem Energieverbrauch.
Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren der oben dargelegten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es folgende Schritte umfasst:

– Bereitstellen eines untersten katalytischen Betts im unteren Abschnitt der Hülle, das ein kleineres Reaktionsvolumen hat als das Reaktionsvolumen des zweiten katalytischen Betts;
– Laden des untersten katalytischen Betts mit einem zweiten Katalysator, der eine höhere Aktivität hat als die des ersten Katalysators, der in den anderen Betten geladen ist.

In der nachstehend ergehenden Beschreibung und den folgenden Ansprüchen soll der Ausdruck „Reaktionsvolumen" das Volumen eines katalytischen Betts bedeuten, das vom Katalysator eingenommen wird, und damit den Raum in dem Bett, wo die Synthesereaktion tatsächlich stattfindet.
Vorteilhafterweise ist es mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, vom Standpunkt der Umwandlungsausbeute her gesehen, einen effizienteren Reaktor zu erhalten – während gleichzeitig der äußere Aufbau unverändert bleibt – und somit eine Steigerung der Produktionskapazität, indem man ein größenmäßig geeignet ausgelegtes, unterstes katalytisches Bett mit einem Katalysator hoher Ausbeute belädt.
Insbesondere ist es dank dem vorliegenden Verfahren möglich, in einem bereits bestehenden Reaktor die Nutzbarmachung eines Katalysators der herkömmlichen Art mit einem hochwirksamen Katalysator effektiv zu verbinden, wobei sich auf diese Weise die Leistungsfähigkeit des Reaktors entscheidend verbessert, während die Investitionskosten im Wesentlichen unverändert bleiben im Hinblick auf diejenigen, die für die Modernisierung eines Reaktors gemäß den Verfahren aus dem Stand der Technik notwendig sind.
Da man außerdem in der Lage ist, einen hochwirksamen Katalysator einzusetzen, kann nun im untersten Bett mit Temperaturen gearbeitet werden, die niedriger sind als die herkömmlichen, wobei man auch auf diese Weise Einsparungen bei den Betriebskosten und beim Energieverbrauch erzielt, im Hinblick auf die zuvor erwähnten Verfahren aus dem Stand der Technik.
Vorzugsweise wird das unterste katalytische Bett mit einem Katalysator basierend auf Graphit-gestütztem Ruthenium beladen, wobei dieser Katalysator eine hohe Reaktionsaktivität und gleichzeitig eine lange Lebensdauer besitzt, da er sich nicht zersetzt und eine hervorragende Beständigkeit gegenüber der Temperatur und dem Druck hat, die bei Betriebsbedingungen im Inneren des Reaktors herrschen.
Besonders zufriedenstellende Ergebnisse hat man erzielt, indem innerhalb der Hülle ein unterstes katalytisches Bett mit einem Reaktionsvolumen vorgesehen wurde, das zwischen 5 % und 50 % des Reaktionsvolumens des zweiten Betts umfasst, vorzugsweise zwischen 10 % und 25 %.
Zusätzlich sind gemäß einer besonderen und vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Modernisierungsverfahrens in der Hülle drei katalytische Betten vorgesehen, und zwar das erste katalytische Bett im oberen Abschnitt der Hülle, und das zweite katalytische Bett bzw. das unterste katalytische Bett im unteren Abschnitt der Hülle.
Auf diese Weise sind sowohl die kinetische als auch thermodynamische Konfiguration des Reaktors und die Nutzbarmachung der verfügbaren Reaktionsvolumina optimiert, um so die Umwandlungsausbeute bei Minimierung der Investitionskosten drastisch zu steigern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das vorliegende Verfahren darüber hinaus den folgenden Schritt:

– Ausstatten des untersten katalytischen Betts mit Mitteln, die diesem einen radialen oder axial-radialen Strom der Reagensgase zuleiten.

Dabei sind die Druckabfälle, die durch die das katalytische Bett laufende Reaktionsmischung verursacht werden, vorteilhafterweise reduziert, wodurch sich der Energieverbrauch und die Betriebskosten reduzieren.
Außerdem wird im Falle eines axial-radialen Stroms eine bestmögliche Ausnutzung der Katalysatormasse erzielt, wobei verhindert wird, dass Teilbereiche des Katalysators nicht von der Reaktionsmischung durchdrungen und von daher nicht ausgenutzt werden.
Als Alternative, und um die oben genannten Vorteile noch weiter auszureizen, wird jedes der innerhalb der Hülle vorgesehenen katalytischen Betten vorzugsweise mit Mitteln ausgestattet, um diesen einen radialen oder axial-radialen Strom der Reagensgase zuzuleiten.
Um Verdünnungseffekte zu verhindern, die sich aus einer abschreckungsartigen, zwischenzeitlich erfolgenden Kühlung ergeben, also auf Grund der Vermischung der zwischen den katalytischen Betten strömenden Gase mit kalten Reagensgasen, was die Umwandlungsausbeute des Reaktors negativ beeinflusst, umfasst das Modernisierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise weiter folgende Schritte:

– Bereitstellen eines ersten Gas-Gas Wärmetauschers in der Hülle und entsprechende Mittel zum indirekten Kühlen der Gase, die zwischen dem ersten und dem zweiten katalytischen Bett fließen; Bereitstellen eines zweiten Gas-Gas Wärmetauschers in der Hülle und entsprechender Mittel zum indirekten Kühlen der Gase, die zwischen dem zweiten und dem untersten katalytischen Bett fließen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird auch ein Verfahren zum Erzielen von heterogenen, exothermen Synthesereaktionen mit hoher Ausbeute der Art bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

– Zuleiten gasförmiger Reagenzien zu einem Synthesereaktor, der eine Hülle umfasst, worin gestützt sind übereinanderliegend und im gegenseitigen Abstand zueinander zumindest ein erstes katalytisches Bett, das sich in einem oberen Abschnitt der Hülle erstreckt, zumindest ein zweites katalytisches Bett und ein unterstes katalytisches Bett, die sich in einem unteren Abschnitt der Hülle erstrecken;
– Reagieren der gasförmigen Reagenzien in den katalytischen Betten;
– Abziehen aus dem Synthesereaktor die Reaktionsprodukte, die aus dem untersten katalytischen Bett kommen; dadurch gekennzeichnet, dass es ferner den Schritt umfasst:
– Bewirken, dass eine Reaktionsmischung in das unterste katalytische Bett durch ein kleineres Reaktionsvolumen fließt als das Reaktionsvolumen des zweiten katalytischen Betts, und einen Katalysator umfasst, der eine höhere Reaktionsaktivität umfasst als die Aktivität des Katalysators, der in den anderen katalytischen Betten geladen ist.

Die Eigenschaften und Vorteile der Erfindung sind in der Beschreibung eines Beispiels einer Ausführung eines Modernisierungsverfahrens gemäß der Erfindung dargelegt, die nachstehend mittels einer nicht einschränkenden Darstellung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Längsquerschnitt eines Reaktors der sog. Kellogg-Bauweise, zum Erzielen von heterogenen, exothermen Synthesereaktionen;
2 einen Längsquerschnitt eines Reaktors, den man erhält, wenn man den Kellogg-Reaktor von 1 mit dem Modernisierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführunsform
Mit Bezug auf 1 bezeichnet Bezugszahl 1 insgesamt einen Reaktor der sog. Kellogg-Bauart, zum Erzielen von heterogenen, exothermen Synthesereaktionen bei hohem Druck und hoher Temperatur (100 bis 300 bar, 300 bis 550 °C), z.B. für die Produktion von Ammoniak.
Der Reaktor 1 umfasst ein rohrförmiges Gefäß oder eine rohrförmige Hülle 2, das/die an der Oberseite durch einen glockenförmigen Gehäusedekkel 3 verschlossen ist und am Boden mit einer Öffnung 4 zum Zuleiten der Reagensgase ausgestattet ist.
In bekannter Weise wird in der Hülle 2 ein Einsatz 5 gehalten, der vier katalytische Betten 6a, 6b, 6c und 6d aufweist, die übereinander und in gegenseitigem Abstand zueinander liegen.
In jedem katalytischen Bett 6a bis 6d ist ein herkömmlicher Katalysator basierend auf Eisen mittlerer Partikelgröße (nicht gezeigt) angeordnet.
Die in den katalytischen Betten 6a bis 6d gezeigte unterbrochene Linie definiert das obere Niveau, das der Katalysator in den Betten erreicht und das, zusammen mit den Seitenwänden und dem Boden, das Reaktionsvolumen dieser Betten definiert.
Ein zwischen dem Einsatz 5 und der Hülle 2 gebildeter, im Wesentlichen ringförmiger Freiraum 7 erstreckt sich zwischen der Öffnung 4 und einem Gas-Gas Wärmetauscher 8, der zum Vorheizen der Reagensgase ausgelegt und seinerseits in herkömmlicher Weise innerhalb des Gehäusedeckels 3 gehalten wird.
Der Reaktor 1 umfasst auch mehrere torusförmige Verteiler 9a bis 9d zum Zuleiten von kalten oder Abschreckungs-Reagensgasen stromaufwärts jedes katalytischen Betts 6a bis 6d.
Schließlich ist im Reaktor 1 eine Rohrleitung 10 vorgesehen, die sich koaxial innerhalb der katalytischen Betten 6a bis 6d erstreckt, um die das unterste katalytische Bett 6d verlassenden Reaktionsprodukte dem Gas-Gas Wärmetauscher 8 zuzuleiten, der diese kühlt, bevor sie schließlich durch eine Öffnung 11 abgezogen werden.
In 1 sind durch die Pfeile F die verschiedenen Strömungswege der Gase entlang dem Freiraum 7, durch die Betten 6a bis 6d und den Wärmetauscher 8 angegeben.
2 zeigt insgesamt einen heterogenen, exothermen Synthesereaktor, den man erhält, indem der Reaktor von 1 gemäß einem Modernisierungsverfahren der Erfindung modifiziert wird.
In dieser Figur entsprechen die Einzelheiten des Reaktors 1 in Aufbau und Funktion denjenigen, die in 1 dargestellt sind, und sie sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht näher beschrieben.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Modernisierung von Reaktoren der sog. Kellogg- oder Flaschenhals-Bauart beschränkt, also mit einem Gehäusedeckel, der gegenüber dem Hüllendurchmesser einen kleineren Durchmesser aufweist, sondern lässt sich auf die Modernisierung eines beliebigen Typs von heterogenen, exothermen Synthesereaktoren mit einem oder mehreren katalytischen Betten anwenden, und somit auch auf die Modernisierung von Reaktoren in der Bauart mit durchgehend gleichgroßer Öffnung, wobei der Gehäusedeckel im Wesentlichen denselben Durchmesser wie die Hülle hat.
Außerdem kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafter Weise auch auf die Nachrüstung von bereits modernisierten, bestehenden Synthesereaktoren angewendet werden, beispielsweise auf die Modernisierung eines Reaktors, der gemäß dem in US-A- 5 585 074 beschriebenen Verfahren modernisiert wird, welches Verfahren hiermit unter Bezugnahme auf den Stand der Technik erwähnt wurde.
Gemäß einem einleitenden Schritt des vorliegenden Verfahrens wird der Einsatz 5 des Reaktors 1 vorher von seinem Inhalt befreit und mit wenigstens einem ersten katalytischen Bett 12 in einem oberen Abschnitt 2a der Hülle 2 ausgestattet, und mit wenigstens einem zweiten katalytischen Bett 13 in einem unteren Abschnitt 2b derselben.
Gemäß einem weiteren Schritt des Modernisierungsverfahrens wird ein unterstes katalytisches Bett 14 vorteilhafter Weise im unteren Abschnitt 2b der Hülle 2 vorgesehen, welches ein Reaktionsvolumen aufweist, das kleiner ist als das Reaktionsvolumen des zweiten katalytischen Betts 13.
Gemäß der Erfindung wird in das erste und das zweite katalytische Bett 12 bzw. 13 auch ein erster Katalysator (nicht gezeigt) mit einer vorbestimmten Aktivität geladen, während in das unterste katalytische Bett 14 ein zweiter Katalysator (nicht gezeigt) geladen wird, der eine Reaktionsaktivität aufweist, die höher liegt als die Aktivität des ersten, in die anderen Betten geladenen Katalysators.
Der in die Betten 12 und 13 geladene Katalysator des ersten Typs ist z.B. gebildet durch einen herkömmlichen Katalysator basierend auf Eisen mit kleiner Partikelgröße, während der in das unterste katalytische Bett 14 geladene Katalysator des zweiten Typs vorteilhafter Weise ein auf Ruthenium basierender Katalysator ist, und vorzugsweise ein Katalysator basierend auf Graphit-gestütztem Ruthenium ist.
Ein Katalysator der letztgenannten Art hat eine Reaktionsaktivität, die allgemein das 5- bis 20-Fache der Aktivität eines herkömmlichen, auf Eisen basierenden Katalysators beträgt.
Dank der Schritte des Vorsehens eines größenmäßig geeignet ausgelegten, untersten katalytischen Betts und des Ladens dieses Betts mit einem hochwirksamen Katalysator, lässt sich eine Steigerung der Umwandlungsausbeute von bis zu 100 % erzielen mit Bezug auf die Ausbeute, die man mit dem Reaktor von 1 erreichen kann, und von bis zu 10 bis 40 % bezüglich der maximalen Ausbeute, die man mit einem Reaktor erhalten kann, der gemäß dem wie in US 5 585 074 beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik modernisiert wurde, wobei auch eine Einsparung vom Gesichtspunkt der Betriebskosten und des Energieverbrauchs her erzielt wird.
Dagegen liegen die Investitionskosten, die für die Umsetzung des Modernisierungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung aufzuwenden sind, überraschend nahe an den Kosten, die allgemein für die Modernisierung gemäß dem Stand der Technik erforderlich sind, und verglichen mit den sich ergebenden Vorteilen in Bezug auf die höhere Umwandlungsausbeute und die höhere Produktionskapazität des modernisierten Reaktors sind sie in jedem Fall vernachlässigbar.
Die durch die vorliegende Erfindung erzielten Vorteile lassen sich hauptsächlich darauf zurückführen, dass in einem bereits bestehenden Reaktor ein Katalysator mit anderer Reaktionsaktivität verwendet wird, und auf die besondere Anordnung und größenmäßige Auslegung des katalytischen Betts, das mit dem hochwirksamen Katalysator beladen ist.
Erst durch die vom Anmelder unternommenen Anstrengungen und Nachforschungen war es möglich, eine starke Steigerung der Umwandlungsausbeute eines bereits bestehenden Reaktors zu erzielen, wobei gleichzeitig dank der Einbringung einer kleinen Menge eines hochwirksamen Katalysators in eine begrenzte und spezifische Zone des Reaktors die Investitionskosten in Grenzen gehalten werden, und zwar genau in der Reaktionszone, die allgemein vom Standpunkt der Kinetik und Thermodynamik her gesehen als die vorteilhaftere angesehen wird.
In einer besonders vorteilhaften, in 2 gezeigten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird eine optimale Verteilung der Reaktionsvolumina und damit des Katalysators (der herkömmlichen wie der hochwirksamen Art) erhalten, indem man ein einzelnes, erstes katalytisches Bett 12 im oberen Abschnitt 2a der Hülle 2 vorsieht, und die katalytischen Betten 13 und 14 im unteren Abschnitt 2b.
Besonders vorteilhafte Ergebnisse hat man auch erzielt, indem das unterste katalytische Bett 14 mit einem Reaktionsvolumen versehen wurde, das 10 bis 20 % des Reaktionsvolumens des zweiten katalytischen Betts 13 hat.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist jedes der oben erwähnten katalytischen Betten 12 bis 14 mit bekannten Mitteln ausgestattet, um einen radialen oder axial-radialen Gasstrom durch diese zu erzielen. Diese Mittel können z.B. ringförmige Katalysatorkörbe 15, 16 und 17 umfassen, die mit gegenüberliegenden, entsprechend perforierten gasdurchlässigen Wänden für den Gaseinlass und -auslass versehen sind.
Mittel dieser Art zur Bereitstellung eines axial-radialen Gasstroms in den katalytischen Betten sind z.B. in US-A-4 755 362 beschrieben.
Beim Beispiel von 2 wird die Kühlung der Gase, die zwischen einem katalytischen Bett und dem dazu benachbart liegenden strömen, vorteilhafter Weise über einen indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlfluid, vorzugsweise einem kalten Synthesegas, erzielt.
Zu diesem Zweck umfasst das vorliegende Modernisierungsverfahren die zusätzlichen Schritte, im ersten, im oberen Abschnitt 2a der Hülle 2 untergebrachten katalytischen Bett 12 einen ersten Gas-Gas Wärmetauscher 18 vorzusehen, und einen zweiten Gas-Gas Wärmetauscher 19 im zweiten, im unteren Abschnitt 2b der Hülle 2 untergebrachten katalytischen Bett 13 vorzusehen.
In 2 erstreckt sich der zweite Wärmetauscher 19 vorteilhafter Weise auch in das unterste katalytische Bett 14, um die Wärmeaustauschfläche zu erhöhen und eine Zwangskühlung der Reaktionsmischung zu erzielen, die dem letzten katalytischen Bett 14 zuzuführen ist, und gleichzeitig eine stärkere Erwärmung des in den Synthesereaktor 1 eintretenden Kaltgases zu bewirken.
Da das unterste katalytische Bett 14 mit einem hochwirksamen Katalysator geladen ist, ist es vorteilhafter Weise möglich, zweckmäßigerweise bei relativ geringen Reaktionstemperaturen zu arbeiten, wobei man auf diese Weise Einsparungen bei den Betriebskosten und beim Energieverbrauch erzielt.
Vorzugsweise sind die Wärmetauscher 18 und 19 innerhalb der Betten 12, 13 und 14 koaxial zu diesen angeordnet, unter Ausnutzung der Öffnungen, die von den ringförmigen Körben 15, 16 und 17 im mittleren Teil jedes dieser Betten gebildet sind.
Gemäß der Erfindung sind in den Wärmetauschern 18 und 19 entsprechende Mittel zur indirekten Kühlung der Gase vorgesehen, die zwischen dem ersten und zweiten katalytischen Bett 12 und 13 bzw. zwischen dem zweiten und untersten katalytischen Bett 13 und 14 strömen.
Diese Mittel umfassen eine Einheit 20 bzw. 25 aus ineinander gesteckten Rohren, die in einer rohrförmigen Hülle 21 bzw. 26 untergebracht und hüllseitig mit gegenüberliegenden Gaseinlass- und Auslassöffnungen 22 und 23 bzw. 27 und 28 ausgestattet sind, sowie an der Rohrseite des Wärmetauschers 18 bzw. 19 mit Mitteln zum Zuleiten von kalten gasförmigen Reagenzien zu einer Gaseinlassöffnung 24 bzw. 29.
Die Gaseinlassöffnung 22 bzw. 27 an der Hüllseite der Einheit 20 bzw. 25 aus ineinander gesteckten Rohren steht wiederum in Flüssigkeitsverbindung mit dem katalytischen Bett 12 bzw. 13, und zwar über einen ringförmigen Freiraum 30 bzw. 31, der zwischen der Außenwand der rohrförmigen Hülle 21 bzw. 26 und der Gasauslasswand des Korbs 15 bzw. 16 gebildet ist.
Dagegen steht die Gasauslassöffnung 23 auf der Hüllseite der Einheit 20 aus ineinander gesteckten Rohren in direkter Flüssigkeitsverbindung mit dem katalytischen Bett 13, während die entsprechende hüllseitige Gasauslassöffnung 28 der Einheit 25 aus ineinander gesteckten Rohren mit dem katalytischen Bett 15 über einen ringförmigen Freiraum 32 in Flüssigkeitsverbindung steht, der zwischen der rohrförmigen Hülle 26 und einer koaxial Wand 33 gebildet ist, die sich zwischen der Hülle 26 und dem Korb 17 erstreckt.
Bei dem dargestellten Beispiel umfassen die Mittel zum Befördern der kalten gasförmigen Reagenzien zu der rohrseitigen Öffnung 24 des Wärmetauschers 18 eine Rohrleitung 34, die sich zwischen dieser Öffnung und einer Öffnung 35 zum Zuleiten von kalten, gasförmigen Reagenzien erstreckt.
In derselben Weise umfassen die Mittel zum Befördern der kalten, gasförmigen Reagenzien zur rohrseitigen Öffnung 29 des Wärmetauschers 19 eine Rohrleitung 36, die sich zwischen dieser Öffnung und einer Öffnung 37 zum Zuleiten von kalten, gasförmigen Reagenzien erstreckt.
Schließlich sind die Gas-Gas Wärmetauscher 18 und 19 rohrseitig sequentiell miteinander verbunden, beispielsweise über ein Labyrinth-Übergangsstück 38.
Die Schritte des Modernisierungsverfahrens gemäß der Erfindung lassen sich unabhängig von der in der vorliegenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen angegebenen Reihenfolge ausführen, und zwar entsprechend den besonderen technischen Erfordernissen zur Umsetzung, die von Fall zu Fall unterschiedlich sein können.
Im Endergebnis erhält man mit diesen Schritten einen Reaktor 1, bei dem eine heterogene, exotherme Synthese mit hoher Umwandlungsausbeute und geringem Energieverbrauch ausgeführt werden kann; dies geschieht in folgender Weise.
Die dem Reaktor 1 über die Öffnung 4 zugeleiteten gasförmigen Reagenzien werden im Freiraum 7 und im Wärmetauscher 8 vorgeheizt und dann dem ersten katalytischen Bett 12 zugeleitet, das einen Katalysator herkömmlicher Art, z.B. einen Katalysator basierend auf Eisen enthält.
Die Temperatur der dem ersten katalytischen Bett 12 zugeleiteten gasförmigen Reagenzien wird über ein erstes Quantum an frischen oder abschreckenden, gasförmigen Reagenzien auf die gewünschten Werte eingestellt, wobei letztere dem Reaktor 1 über den Verteiler 9a zugeleitet wer den, und über ein zweites Quantum an gasförmigen Reagenzien, die in den Wärmetauschern 18 und 19 vorgeheizt werden, wie nachfolgend erklärt wird.
Die das katalytische Bett 12 verlassende Reaktionsmischung, welche von einem zentripetalen, axial-radialen Strom durchquert wird, sammelt sich dann im Freiraum 30 an und wird dem Wärmetauscher 18 zugeleitet, in dem sie über einen indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlfluid abgekühlt wird, das rohrseitig im Gegenstrom fließt und im Beispiel von 2 ein Gemisch aus gasförmigen Reagenzien umfasst, die teilweise von außen durch die Rohrleitung 34 und teilweise vom darunter liegenden Wärmetauscher 19 kommen.
Die so abgekühlte Reaktionsmischung wird dann dem nächsten katalytischen Bett 13 zugeleitet, nachdem sie die Öffnung 23 durchströmt hat. Das katalytische Bett 13 ist auch mit einem Katalysator herkömmlicher Art, beispielsweise einem auf Eisen basierenden Katalysator, geladen.
Dem katalytischen Bett 13 entströmt nun, durchquert von einem zentripetalen, axial-radialen Strom, eine zweite Reaktionsmischung, die weiter mit Reaktionsprodukten angereichert ist und durch die Öffnung 27 dem Wärmetauscher 19 zugeleitet wird, in dem sie teilweise über einen indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlfluid gekühlt wird, das rohrseitig im Gegenstrom fließt und im Wesentlichen ein Gemisch aus gasförmigen Reagenzien umfasst, die über die Rohrleitung 36 von außen kommen.
Vorteilhafter Weise kann die dem untersten katalytischen Bett 14 zuzuleitende Reaktionsmischung auf eine Temperatur abgekühlt werden, die wesentlich niedriger liegt als die Temperatur der Reaktionsmischung bei Eintritt in die katalytischen Betten 12 und 13.
Das so gekühlte Gemisch wird dann dem untersten katalytischen Bett 14 zugeleitet, nachdem es den ringförmigen Freiraum 32 durchströmt hat. Vorteilhafterweise ist das unterste katalytische Bett 14 mit einem hoch reaktionsfreudigen Katalysator geladen, vorzugsweise basierend auf Graphit-gestütztem Ruthenium.
Aus dem untersten katalytischen Bett 14 tritt, durchquert von einem zentrifugalen, axial-radialen Strom, eine fertige Reaktionsmischung aus, die über die zentrale Rohrleitung 10 dem Wärmetauscher 8 zugeführt wird, bevor es über die Öffnung 11 schließlich vom Reaktor 1 abgezogen wird.
Gemäß der Erfindung lässt man die aus dem katalytischen Bett 13 kommende Reaktionsmischung in das unterste katalytische Bett 14 strömen, und zwar durch ein Reaktionsvolumen, das kleiner ist als das Reaktionsvolumen des zweiten katalytischen Betts (vorzugsweise zwischen 10 % und 40 %), und das einen Katalysator mit einer Reaktionsaktivität enthält, die höher ist als die Aktivität des Katalysators, mit dem die anderen katalytischen Betten geladen sind.
Auf diese Weise erhält man einen starken Anstieg der Umwandlungsausbeute und eine sich daraus ergebende Steigerung der Produktionskapazität des modernisierten Reaktors
Aus dem bisher Dargelegten ergeben sich die vielen Vorteile, die von der vorliegenden Erfindung erzielt werden; insbesondere ist es möglich, die Umwandlungsausbeute eines bereits bestehenden Reaktors wesentlich zu steigern, dabei die Betriebskosten und den Energieverbrauch zu reduzieren, und dies mit sehr geringen Investitionskosten.

Claims

Verfahren zum Nachrüsten (in-situ Modernisierung) eines heterogenen, exothermen Synthesereaktors, der eine äußere Hülle (2) aufweist, die eine Vielzahl übereinander und im gegenseitigen Abstand zueinander liegender, katalytischer Betten (6a-6d) umfasst, wobei das Verfahren die einleitenden Schritte umfasst: – Bereitstellen zumindest eines ersten katalytischen Betts (12) in einem oberen Abschnitt (2a) der Hülle (2) und zumindest eines zweiten katalytischen Betts (13) in einem unteren Abschnitt (2b) der Hülle (2); wobei das erste und das zweite Bett (12, 13) mit einem ersten Katalysator geladen werden, der eine vorbestimmte Aktivität hat, und eine Öffnung (4) in der Hülle festgelegt ist, die in Flüssigverbindung mit dem ersten katalytischen Bett (12) ist, um dorthin Reagensgase zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die Schritte umfasst: – Bereitstellen eines untersten katalytischen Betts (14) im unteren Abschnitt (2b) der Hülle (2), das ein kleineres Reaktionsvolumen hat als das Reaktionsvolumen des zweiten katalytischen Betts (13); – Laden des untersten katalytischen Betts (14) mit einem zweiten Katalysator, der eine höhere Aktivität hat als die des ersten Katalysators, der in den anderen Betten (12, 13) geladen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das unterste katalytische Bett (14) mit einem Katalysator basierend auf Graphit-gestütztem Ruthenium geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das unterste katalytische Bett (14) ein Reaktionsvolumen hat, das zwischen 10% und 40% des Reaktionsvolumens des zweiten Betts (13) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner den Schritt umfasst: – Ausstatten des untersten katalytischen Betts (14) mit Mitteln, die diesem einen radialen oder axial-radialen Strom der Reagensgase zuleiten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei katalytische Betten (12, 13, 14) in der Hülle bereitgestellt werden, und zwar das erste katalytische Bett (12) im oberen Abschnitt (2a) der Hülle (2), das zweite katalytische Bett (13) beziehungsweise das unterste katalytische Bett (14) im unteren Abschnitt (2b) der Hülle (2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner umfasst den Schritt: – Ausstatten der katalytischen Betten (12, 13, 14) mit Mitteln, die diesen einen radialen oder axial-radialen Strom der Reagensgase zuleiten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner umfasst die Schritte: – Bereitstellen eines ersten Gas-Gas Wärmeaustauschers (18) in der Hülle (2) und entsprechende Mittel zum indirekten Kühlen der Gase, die zwischen dem ersten und dem zweiten katalytischen Bett (12, 13) fließen; – Bereitstellen eines zweiten Gas-Gas Wärmeaustauschers (19) in der Hülle (2) und entsprechender Mittel zum indirekten Kühlen der Gase, die zwischen dem zweiten und dem untersten katalytischen Bett (13, 14) fließen.
Heterogener, exothermer Synthesereaktor der An, die eine externe Hülle (2) umfasst, die eine Vielzahl von übereinander und im gegenseitigen Abstand zueinander liegender, katalytischer Betten (6a-6d) umfasst, wobei: – zumindest ein erstes katalytisches Bett (12) sich in einem oberen Abschnitt (2a) der Hülle (2) erstreckt; – zumindest ein zweites katalytisches Bett (13) sich in einem unteren Abschnitt (2b) der Hülle (2) erstreckt; und – eine Öffnung (4) in der Hülle festgelegt ist, die in Flüssigverbindung mit dem ersten katalytischen Bett (12) ist, um dorthin die Reagensgase zu leiten; dadurch gekennzeichnet, dass er ferner umfasst ein unterstes katalytisches Bett (14), das sich im unteren Abschnitt (2b) der Hülle (2) erstreckt, das ein kleineres Reaktionsvolumen hat als das Reaktionsvolumen des zweiten katalytischen Betts (13) und mit einem Katalysator geladen ist, der eine höhere Aktivität hat als die Aktivität des Katalysators, der in den anderen katalytischen Betten (12, 13) geladen ist.
Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das unterste katalytische Bett (14) ein Reaktionsvolumen hat, das zwischen 10% und 40% des Reaktionsvolumens des zweiten Betts (13) umfasst.
Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das unterste katalytische Bett (14) ausgestattet ist mit gegenüberliegenden, gasdurchlässigen, vertikalen Wänden zum Einleiten und Ausleiten des Gases.
Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er drei katalytische Betten (12, 13, 14) umfasst, wobei sich das erste katalytische Bett (12) im oberen Abschnitt (2a) der Hülle (2) erstreckt, das zweite katalytische Bett (13) beziehungsweise das unterste katalytische Bett (14) sich im unteren Abschnitt (2b) der Hülle (2) erstrecken.
Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der katalytischen Betten (12, 13, 14) ausgestattet ist mit gegenüberliegenden, gasdurchlässigen, vertikalen Wänden zum Einleiten und Ausleiten des Gases.
Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er umfasst: – einen ersten Gas-Gas Wärmeaustauscher (18), der sich in der Hülle (2) erstreckt und ausgestattet ist mit entsprechenden Mitteln zum indirekten Kühlen der Gase, die zwischen dem ersten und zweiten katalytischen Bett (12, 13) fließen; – einen zweiten Gas-Gas Wärmeaustauscher (19), der sich in der Hülle (2) erstreckt und ausgestattet ist mit entsprechenden Mitteln zum indirekten Kühlen von Gasen, die zwischen dem zweiten und dem untersten katalytischen Bett (13, 14) fließen.
Verfahren zum Erzielen von exothermen Synthesereaktionen mit hoher Ausbeute der Art, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Zuleiten gasförmiger Reagenzien zu einem Synthesereaktor, der eine Hülle (2) umfasst, worin gestützt sind übereinanderliegend und im gegenseitigen Abstand zueinander zumindest ein erstes katalytisches Bett (12), das sich in einem oberen Abschnitt (2a) der Hülle (2) erstreckt, zumindest ein zweites katalytisches Bett (13) und ein unterstes katalytisches Bett (14), die sich in einem unteren Abschnitt der Hülle (2) erstrecken; – Reagieren der gasförmigen Reagenzien in den katalytischen Betten (12, 13, 14); – Abziehen aus dem Synthesereaktor die Reaktionsprodukte, die aus dem untersten katalytischen Bett (14) kommen; dadurch gekennzeichnet, dass es ferner den Schritt umfasst: – Bewirken, dass eine Reaktionsmischung in das unterste katalytische Bett (14) durch ein kleineres Reaktionsvolumen fließt als das Reaktionsvolumen des zweiten katalytischen Betts (13), und einen Katalysator umfasst, der eine höhere Reaktionsaktivität umfasst als die Aktivität des Katalysators, der in den anderen katalytischen Betten geladen ist (12, 13).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsmischung in das unterste katalytische Bett (14) durch eine Katalysatormasse geströmt wird, die auf Graphit-gestütztem Ruthenium basiert.