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Vorrichtung zur Durchführung exotherm verlaufender katalytischer Reaktionen
Zur
Durchführung katalytischer Reaktionen, insbesondere der Synthese von Kohlenwasserstoffen
aus CO- und H2-haltigen Gasen, hat man sich bisher entweder der sogenannten Lamellenöfen
oder, soweit höhere Drücke angewandt wurden, des sogenannten Doppelrohrofens bedient.
In beiden Fällen wird die Reaktionswärme aus dem Katalysator unmittelbar an Kühlflächen
abgeführt. Infolge der geringen Leitfähigkeit des Katalysators ist die Leistung
solcher Einrichtungen sehr gering, und es sind die Anlagekosten außerordentlich
hoch. Die erzielte Leistung beträgt nur etwa 0,2 kg Kohlenwasserstoffe je Liter
Katalysator und Tag.
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Wesentlich höhere Leistungen sind bei Versuchen erreicht worden,
bei denen das umzusetzende Gas mit größerer Geschwindigkeit durch den Katalysator
geführt wird. Bei IOO bis I5ofacher Umwälzung des umzusetzenden Gases, wobei die
Reaktionswärme in gesonderten Kühlern, durch die das Gas auf seinem Kreislauf geführt
wird, an das Kühlmittel, z. B. verdampfendes Wasser, abgeführt wird, sind Leistungen
von o,8 bis I,O kg je Liter Katalysatorraum erzielt worden.
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Die bisherigen Einrichtungen verwenden ferner einen ruhenden Katalysator,
der periodisch in seiner Gesamtheit aus dem Reaktionsraum entfernt wird, wenn seine
katalytische Wirkung eine gewisse Grenze unterschritten hat. Um trotzdem eine weitgehende
Ausnutzung des Katalysators und eine weitgehende Aufarbeitung des Gases zu erreichen,
hat man bisher die
Ofen dieser Anlagern in mehreren Stufen betriebefl
de£ art, daß das frische Gas zunächst in eine Ofengruppe mit teilweise verbrauchtem
Katalysator eingeleitet und dann die teilweise umgesetzten Gase einer Ofengruppe
mit frischem Katalysator zugeführt wurden.
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Die Erdindung betrifft eine Vorrichtung, bei der die hohe' WärmeXibertragung
der Gasumwälzung mit dem Gegenstrom de'r umzusetzenden Gase zu einem bewegten kontinuierlich
erneuerten Katalysator verbunden ist. Die Gebläseräder für die Umwälzung der Gase
und die Kühlflächen für die Abführung der Reaktionswärme sind erfindungsgemäß innerhalb
des Syntheseofens selbst angeordnet, wodurch Rohrleitungen und Gebläse weitgehend
vermieden sind. Insbesondere beim Arbeiten mit höheren Drücken werden hierdurch
die Schwierigkeiten und Kosten ausgeschaltet, die durch die Anordnung von besonderen
Knhlerr-und Gebläsen entstehen würden. Während bisher die Leistung der Ofeneinheit
für die Synthese von Kohlenwasserstoffen mit etwa 10 t/Tag beschränkt war, können
mit einem Ofen gemäß der Erfindung 200 t Produkte und mehr in einer Einheit erzeugt
werden mit einem Bruchteil der Kühlfläche, bezogen auf die Leistung, die in den
bisherigen Öfen erforderlich war. Dies wird dadurch erreicht, daß ein wesentlich
größerer Anteil des Ofenraumes vom Katalysator eingenommen wird und der Katalysator
um ein Vielfaches stärker belastet werden kann. Außerdem kann die vollständige Aufarbeitung
des Gases und die volle Ausnutzung des Katalysators in einem einzigen Ofen erzielt
werden, ohne daß periodische Unterbrechungen für Umschaltung der Ofengruppen oder
Erneuerung des- Katalysators notwendig wären.
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Die neue Vorrichtung besteht z. B. in einem senkrechten zylindrischen
Ofenmantel, der für den vorgesehenen Druck bemessen ist. Im Innern des Druckraumes
sind sowohl der Katalysator wie auch die Kühlflächen für die Ableitung der Reaktionswärme
und ferner auf einer senkrechten zentralen Welle eine Anzahl Flügel- oder Ventilatorräder
derart angeordnet, daß alle diese Teile nicht der Druckdifferenz zwischen dem Innendruck
und der Atmosphäre ausgesetzt sind.
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Der Katalysator ist in einem oder mehreren senkrechten Schächten untergebracht,
die zweckmäßig sektorenweise um die zentrale Welle angeordnet sind. Diese Schächte
sind mit einem schleusenartigen Verschluß zur Einbringung des Katalysators in den
Druckraum und mit einer Einrichtung zur gleichmäßigen Verteilung des Katalysators
auf den Gesamtquerschnitt der Schächte verbunden. In gleicher Weise ist am unteren
Ende des Druckraumes eine Einrichtung zum gleichmäßigen zweckmäßig kontinuierlichen
Abzug des Katalysators aus den Schächten und eine Schleuse zur Austragung des Katalysators
aus dem Druckraum angeordnet.
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Zwischen den vom Katalysator angefüllten Schächten sind Gruppen von
Kühlflächen zweckmäßig in der Art von Steilrohrkesseln mit senkrechten Rohren angeordnet.
Der Katalysator wird durch die Schächte entweder kontinuierlich oder schrittweise
abwärts bewegt; Gleichzeitig wird das von unten eingeleitete Synthesegas stufenweise
in horizontaler Richtung durch die Katalysatorschächte mit Hilfe der Flügelräder
und', über die Kühlflächen der Kühlrohre umgewälzt. In horizontaler Richtung ist
der Raum durch Zwischenböden stufenweise derart unterteilt, daß jedes Flügelrad
das eingeleitete Gas mehrmals, z. B. 10 bis 40mal, in der ihm zugemessenen Stufe
über die Kühlfläche und durch das Katalysatorbett umwälzt. Zur Einleitung der Gase
in die Katalysatorschichten sowie zur Abführung derselben aus den Schächten werden
zweckmäßig von zwei gegenüberliegenden Wänden des Katalysatorschachtes ausgehend
dachartige, zweckmäßig horizontale Einbauten durch die Schichten geführt derart,
daß die Gase von einer Gruppe Zuführungsdächer durch die Katalysatorschicht in eine
Gruppe Abführungsdächer übertreten müssen und von dort durch die Flügelräder angesaugt
werden.
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Da in der neuen Einrichtung das Gas beim Durchgang durch einen einzigen
Ofen aufgearbeitet werden kann, sind zweckmäßig Vorkehrungen getroffen, die Reaktionsprodukte
ein- oder mehrmals aus dem umzusetzenden Gas abzuscheiden. Dies geschieht mittels
Leitungen, die z. B. hinter der dritten und fünften Stufe an den Druckraum angeschlossen
sind und mit einer Kondensationsanlage für die Produkte in Verbindung stehen. Bei
Verarbeitung C O-reicher Gase kann hierbei auch die Abscheidung der gebildeten Kohlensäure
erfolgen. Die dann wieder vorwiegend aus CO und H2 bestehenden Gase werden in eine
oder mehrere Stufen des Reaktionsraumes zurückgeleitet wobei, falls die Rückführung
ohne Vorwärmung erfolgt durch das zurückgeführte Gas gleichzeitig eine Kühlung der
umlaufenden Gase bewirkt wird und die Umwälzung erheblich vermindert werden kann.
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Die Kühlflächen für die Abkühlung der Reaktionsgase werden erfindungsgemäß
z. B. als senkrechte Rohre eines über mehrere Stufen oder die Gesamtlänge des Ofens
verlaufenden Röhrenkessels ausgebildet, wobei zur Vergrößerung der Kühlwirkung die
Rohre zweckmäßig als Rippen-, Nadel- oder sogenannte Finnenrohre ausgebildet werden.
Auf diese Weise kann die gesamte Kühlfläche als eine oder wenige Gruppen von Rohren
durch eine verhältnismäßig kleine Öffnung in den Druckraum eingebracht und mit nur
wenigen Verbindungen im Innern zusammengesetzt werden.
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Dadurch wird die Gefahr von Undichtigkeiten zwischen dem Gasraum und
dem Raum für das Kühlmittel wesentlich vermindert. Durch die senkrechte Anordnung
der Rohre und der Rippen wird die Gefahr der Ablagerung von Katalysatorstaub auf
den Kühlflächen beseitigt.
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Für die Anwendung eines feinkörnigen Katalysators wird der Katalysator
zwischen oder um die Kühlrohre gruppe in mehreren horizontalen Schichten auf gelochten
Böden angeordnet, wobei die umgewälzten Gase diese Schichten sprudelnd durchdringen
und die Abwanderung des Katalysators in bekannter Weise durch Überlauf von einer
Stufe zur nächsten erfolgt Um eine plötzliche Steigerung der Reaktionstemperatur
zu verhindern, welche die Festigkeit der Wände des Reaktionsraurnes gefährden könnte,
kann erfindungsgemäß mit einer Einrichtung nach Art eines Temperatur beeinflußten
Sicherheitsventils oder mit tels Temperatur gesteuerten Reglern zusätzlich kaltes
Gas oder Wasser in den Gaskreislauf einefi'i'hrt
werden. Es wird
dadurch ermöglicht, von der Verwendung hochwertiger teurer Baustoffe für den Ofenmantel
oder von einer doppelwandigen gekühlten Ausführung desselben abzusehen.
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Die Erfindung ist in den Fig. I bis 4 beispielsweise dargestellt.
Die rechte Hälfte der Fig. 1 zeigt im senkrechten Schnitt einen Syntheseofen, der
für grobkörnigen Katalysator mit durchgehenden vertikalen Schächten eingerichtet
ist. Die linke Hälfte zeigt eine andere Ausführungsform, die für die Benutzung feinkörniger
oder staubförmiger Katalysatoren geeignet ist.
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In gleicher Weise zeigt Fig. 2 in der rechten Hälfte einen horizontalen
Schnitt durch die rechte Hälfte des Ofens nach Fig. I und die linke Hälfte einen
horizontalen Schnitt durch die linke Hälfte von Fig. I. In Fig. 3 ist die rechte
Hälfte der Fig. 2 mit Einzelheiten dargestellt. Fig. 4 ist ein Schnitt nach Linie
C-C in Fig. 3.
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Die Vorrichtung besteht aus dem druckfesten Ofenmantel I, der am
oberen Ende mit einer Schleuse 2 bekannter Bauart fiir die Einbringung des Katalysators
versehen ist. Unterhalb dieser Schleuse befindet sich eine Verteilvorrichtung 3
zur gleichmäßigen Verteilung des Katalysators.
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Für die Verwendung eines grobkörnigen Kataly sators sind senkrechte
Katalysatorschächte 4, beispielsweise in 4 Sektoren, auf den Gesamtquerschnitt angeordnet.
Zwischen diesen Schächten befinden sich in Gruppen zusammengefaßt die Kühlrohre
5. In der Achse des Druckraumes ist die senkrechte Welle 6 angeordnet, die mit einer
Anzahl Flügelrädern 7 versehen ist. In dem Katalysatorschacht sind mehrere übereinanderliegende
Stufen vorgesehen, die der Anzahl der Flügelräder entsprechen. Die Katalysatorschächte
werden von Gaskanäle bildenden dachartigen Einbauten 8 horizontal durchdrungen.
24 ist ein Ringraum, durch den das Gas den Einbauten 8, die mit dem Ringraum in
direkter Verbindung stehen und an ihrem anderen Ende geschlossen sind, zuströmt.
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Aus diesen Einbauten tritt das Gas in den Katalysator über und strömt
aus diesem zu den Einbauten 25, die in den Raum 26 münden und an ihrem dem Ringraum
24 zugekehrten Ende geschlossen sind. Von dem Raum 26 werden die Gase durch die
Flügelräder 7 abgesaugt und über die Ausströmkanäle 27 den Kühlrohren 5 zugeführt,
worauf sie durch den Ringraum 24 zu den Einbauten zurückkehren. Dieser Gaskreislauf
wird in jeder Stufe aufrechterhalten. Gleichzeitig strömt in dem Maße, wie frisches
Synthesegas durch die Zuführung I3 unten in den Ofen eintritt, Gas durch den Katalysator
aufwärts und tritt von jeder Stufe in die darüberliegende über. Am unteren Ende
der Schächte ist der Katalysator auf einem Tisch g abgestützt, der in bekannter
Weise durch Drehbewegung zum gleichmäßigen Austragen und zum Abtransport des Katalysators
nach dem Anschluß 10 an eine Austrageschleuse eingerichtet werden kann. In den Räumen
zwischen den Katalysatorschächten sind die einzelnen Reaktionsstufen durch die horizontalen
Bleche II voneinander abgegrenzt. Die Kühlrohre 5 sind gruppenweise an einen zweckmäßig
außerhalb des Druckraumes angeotdneten Dampfsammler I2 angeschlossen. Die verhleihenlen
Restgase, die oben aus den Katalysatorsäulen austreten, werden durch die Leitung
14 nach einer Kondensationseinrichtung abgeleitet. Zur Ausscheidung der Reaktionsprodukte
der unteren Stufen dient die Leitung I5, welche mit einer Kondensationsanlage bekannter
Bauart in Verbindung steht. Die Rückleitung dieser Gase nach dem Reaktionsraum erfolgt
durch Anschlüsse I6 z. B. in das Kreislaufgas einer darüberliegenden Stufe vor seinem
Wiedereintritt in den Katalysator.
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Der Antrieb der senkrechten Welle 6 geschieht zweckmäßig von außen
durch einen unterhalb des Reaktionsraumes aufgestellten elektrischen Motor.
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Für den Betrieb der in der linken Hälfte der Abbildungen dargestellten
Einrichtung mit staubförmigem Katalysator ist der Katalysator in übereinanderliegenden
Ringräumen um die ebenfalls ringförmig um die Flügelräder angeordneten Kühlelemente
I8 angeordnet. Die Katalysatorräume sind durch gelochte Bodenbleche I7 gegeneinander
abgegrenzt, auf denen der Katalysator ruht. Die einzelnen Stufen sind durch die
durchgehenden Bleche 23 voneinander getrennt.
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Das Gas wird von den Flügelrädern 7 unter die Böden Ip geführt, durchdringt
den Katalysator derart, daß er in sprudelnde Bewegung versetzt wird und strömt entlang
den Kühlflächen wieder dem Flügelrad zu.
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Von der einen Stufe in die andere erfolgt der Gasübertritt zweckmäßig
durch die entsprechend bemessenen Spalten des Flügelrades. Der Katalysator wird
der obersten Stufe durch die Leitung 21 zugeführt und wandert selbsttätig durch
die Verbindungsrohre 22 in gleichem Maße nach der jeweils nächsten Stufe ab. Die
ringförmig angeordneten Kühlrohre I8 sind an einen darüberliegenden Dampfsammler
19 angeschlossen, aus dem der Dampf mittels der Leitung 20 abgeführt wird. Der Weg
der Gase durch die Katalysatorschicht über die Kühlrohre und durch die Gebläseräder
ist in den Zeichnungen durch Pfeile kenntlich gemacht.
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Durch die Erfindung wird ein Syntheseofen geschaffen, der in einfacher
und billiger Bauart eine große Leistung in einer verhältnismäßig kleinen, Einheit
vereinigt. Es wird dadurch möglich, die Synthese von Kohlenwasserstoffen und anderen
Erzeugnissen der chemischen Industrie mit einem erheblich geringeren Aufwand an
Material und Kosten durchzuführen, als dies bisher möglich war.