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Kontaktofen für die Durchführung katalytischer Gasreaktionen, vorzugsweise
für die katalytische Kohlenoxydhydrierung
Die Durchführung katalytischer Gasreaktionen
ist im allgemeinen mit der Entwicklung großer Wärmemengen verbunden. In einigen
Fällen wird jedoch auch Wärme bei derartigen Reaktionen verbraucht, so daß eine
Zuführung von Wärme in geeigneter Form elrforderlich ist. Im Zuge der Entwicklung
der chemischen Großtechnik sind für derartige exotherme und endotherme katalytische
Gas reaktionen Reaktionsgefäß e entwickelt worden, die auf Grund eingehender wärmetechnischer
und drucktechnischer Überlegungen entstanden sind.
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Beispielsweise hat sich für die Großtechnik der katalytischen Kohlenoxydhydrierung
zwecks Herstellung von Kohlenwasserstoffen, also einen stark exothermen Prozeß,
für die sog. Normaldrucksynthese die Ausbildung von Wärmeaustauschöfen (Lamellenöfen)
durchgesetzt, bei denen der Kontaktraum von zahlreichen horizontalen Kühlerrohren
durchsetzt ist, an denen sich senkrecht dazu den ganzen Ofen durchseitzende Bleche
in einem bestimmten Abstand befinden, zwischen denen die Katalysatormasse eingefüllt
wird. Für die Synthese bei Drucken von 5 bis etwa I5 at haben sich Öfen eingeführt,
bei denen der Kontakt zwischen zwei konzentrisch angeordneten Rohren liegt. Eine
entsprechende Anzahl dies er Doppelrohrelemente wird in einem Druckwasserkessel
vereinigt und hier von siedendem Wasser umspült. Es sind auch Vorschläge bekannt,
nach denen für die unter Druck betriebene Kohlenoxydhydrierung in senkrecht stehenden
Reaktoren Kühlrohre eingebaut sind, zwischen denen die Katalysatormasse ruht. Die
an diese Kühlrohre
abgegebene Reaktionswärme wird durch die Rohrwandungen
an flüssige Khlmittel abgegeben, die ihrerseits außerhalb des Reaktionsraumes wieder
gekühlt werden können.
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Eine wärme- und drucktechnisch besonders verteilhafte Konstruktion
von Kontaktöfen für die Druchführung katalytischer Gasreaktionen, vorzugsweise für
die katalytische IZohlenoxydhydrierung, die aus ein.em druckfesten Reaktionsgefäß,
in welches ein mit Heiz- oder Kühlmitteln gefülltes, vollständig geschweißtes Rohrsystem
angebracht ist, besteht, wird nun darin gesehen, daß mehrere, z. B. drei ineinanderliegende
haarnadelförmige Rohrschlangen zu Elementen zusammengefaßt sind, wobei die das aufsteigende
Heiz- oder Kühlmittel führenden Rohre in ihren oberen Enden in Sammelrohre münden,
die ihrerseits wieder durch aufsteigende Sammelrohre mit einem im Kopf des Reaktionsgefäßes
liegenden Hauptsammler verbunden sind, aus welchem z. B. bei Anwendung von Druckwasser
als IÇühlmlittel gespannter Dampf entnommen werden kann. Gleichzeitig sollen die
das absteigende Heiz- oder Kühlmittel führenden Rohre an ihrem oberen Ende in Sammelrohre
führen, die wieder mit quer liegenden und die Ofenwandung durchbrechenden Zwischensammlern
durch Rohre verhunden sind, wobei aus dem Hauptsammler, dessen Ende aus dem Reaktionsgefäß
herausgeführt ist, das Heiz- oder Kühlmittel durch Pumpen angesaugt und in die beiden
gleichfalls aus dem Reaktionsgefäß heraus führenden Zwischensammler geführt wird.
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Durch die Einschaltung einer Pumpe kann ein beliebiger, den jeweiligen
Anforderungen zur Abführung oder Zuführung von Wärme entsprechender Umlauf an Kiihl-
oder Heizmitteln eingestellt werden. Es ist auch gleichzeitig möglich, die Umlaufrichtung
des Heiz- oder Kühlmittels durch die Rohre zu wählen. Bei entsprechender Schaltvorrichtung
des Pumpenaggregats kann die Kontaktofenapparatur hinsichtlich der Umlaufrichtung
umschaltbar eingerichtet werden. Die aus dem eigentlichen Reaktionsraum abgeführte
Wärme oder Kälte steht dann für andere Zwecke, beispielsweise fiir die Kühlung oder
Vorwärmung von Gasen als Arbeitsmedium oder für die Dampferzeugung, zur Verfügung.
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Der Katalysatorofen kann auch so eingerichtet werden, daß die Zwischensammler
und Sammler für den Zufluß des Kühlmittels vom Hauptsammler unterhalb der Katalysatorschicht
angeordnet sind, wobei statt haarnadelförmiger Rohre gerade Rohre zu den oberen
Sammlern für das austretende Kühlmittel führen, die ebsufalls mit dem Hauptsammler
verbunden sind, so daß der Kühlm.ittelumilauf sowohl durch eine Pumpe als auch durch
Thermosyphonwirlung vcr sich gehen kann.
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Die schweiißtechnischVerbindung der haarnadelförmigen Kühlrohre mit
den Sammlern erfolgt zweckmäßig derart, daß das Sammelrohr in geringst möglichem
Abstand mit Aushalsungen versehen wird, an welchen die Kühlrclire angeschweißt sind.
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Auf diese Weise! steht überall der gleiche Raum für die Katalysatormasse
zur Verfügung, d. h. es ist an jeder Stelle der gleiche Abstand zwischen zwei Kühl
rohren vorhanden.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Katalysatorofens liegen in der
Möglichkeit einer Temperaturregelung innerhalb engster Grenzen und einer Einhaltung
der gleichen Temperatur in allen Teilen des Katalysatorofens. Die besondere Anordnung
des Rohrsystems gestattet ferner die :Beherrschung hoher Drucke des Heiz- oder Kühlmittels,
welche bedeutend höher liegen können als der Gasdruck in dem das Rohrsystem umgebenden
Katalsysatorraum.
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Im allgemeinen bevorzugt man aus betriebstechnischen Gründen die
Kühlung mit Wasser.
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Siedendes Wasser bietet infolge seiner hohen Verdampfungswärme als
Kühlmittel die größte Sicherheit für die Abführung der bei vielen Gasreaktionen
beträchtlichen Reaktionswärme. Außerdem erlaubt siedendes Wasser in einfachster
Weise die unmittelbare Umsetzung der abgeführten Reaktionswärme in Nutzdampf.
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Der Katalysatorofen ist in der Fig. I durch einen Längs schnitt dargestellt.
Der Ofen besteht aus einem druckfesten zylindrischen Reaktionsgefäß I, dessen unterer
Teil konisch zuläuft, während der obere Teil durch einen abnehmbaren gewölbten Boden
2 verschlossen werden kann. In den zylindreschen Mantel eingebaut ist ein Hauptsammler
3, dessen eines Ende im Innenraum liegt und dessen Kopfseite außerhalb des Behälters
herausragt.
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Unterhalb des Hauptsammlers liegen parallel angeordnet zwei Zwischensammler
4 von geringerem Durchmesser, die gleichartig gelagert sind. Unterhalb der beiden
Zwischensammler 4 liegen senkrecht dazu angeordnet zwei Reihen von Sammelrohren,
die nicht aus dem zylindrischen Reaktionsgefäß herausgeführt werden. Die obere Reihe
5 dieser Sammler ist direkt durch in den Hauptsammler einführende Rohre mit diesem
verbunden. Von den beiden Zwischensammlern 4 führen direkte Rohrverbindungen zu
der untererr Reihe der Sammelrohre 6.
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Je drei ineinanderliegende haarnadelförmige Rohrschlangen sind nun
so zusammengefaßt, daß von der unteren Sammlerreihe 6 drei Rohre ab steigendes Heiz-
oder Kühlmittel führen, während dic aufsteigende Seite dieser drei Rohre zu der
oberen Reihe der Sammlerrohre 5 führt. Aus dem Hauptsammle? 3 wird durch den Saugstutzen
7 Heiz- oder Kühlmittel einer Pumpe zugeführt, welche durch den Rohrstutzen 8 das
Heiz- oder Kühlmittel in die beiden Zwischen,sammler4 drückt, von welchen es der
unteren Reihe der Sammlerrohre6 zugeführt wird, hier in die haarnadelförmig gebogenen
Rohre 14 eintritt und nach Durchtritt durch diese Rohre zur oberen Sammlerrohrreihe
5 geführt wird. Von dort wird das Heliz- oder Kühlmittel erneut dem Hauptsammler
3 wieder zugeführt. Bei Anwendung von Wasser, gegebenenfalls unter Druck, als Kühlmittel
kann aus dem Hauptsammler 3 gespannter Dampf abgenommen werden.
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Die zur Steuerung der Reaktion erforderlichen Wärmezu- bzw. -abführung
kann außerdem mittels eines Wärmeaustauschers erfolgen, der in die Sang-oder Druckleitung
der Umwälzpumpe eingeschaltet wird. Der \Värmeaustauscher kann zur Kälte- oder Wärmeerzeugung
nutzbar gemacht werden.
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Im gesamten Querschnitt unterhalb der beiden Sammlerrohrreihen 5
und 6 bilden die haarnadelförmig gebogenen Rohre folgende Aufteilung: die zu je
drei zusammengefaßten Rohre sind derart in einem gleichmäßigen Dreieck verteilt,
daß vom Mittelpunkt der Zwischenräume jedes Rohr denselben Abstand aufweist und
gleichzeitig diesellbe Kühlfläche besitzt.
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Gleich unterhalb der haarnadelförmig gebogenen Rohre befinden sich
herabklappbare Siebe 9, die die samte Katalysatormasse tragen. Diese Siebe können
durch Hebel 10 von außen bedient werden.
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Unterhalb des konischen Teiles befindet sich ein abnehmbarer Boden
II, der in der Mitte den Gasaustrittsstutzen 12 trägt. Die Reaktionsgase werden
durch den Stutzen 13 dem Katalysatorofen zugeführt.
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Die Fig. 2a zeigt den Längsschnitt um I800 gedreht. Der untere Halbkreis
der Fig. 25 stellt einen Querschnitt des halben Ofens oberhalb der Sammlerrohrreihe
5 da.r. Der obere Halbkreis der Fig. 2 b gibt einen Ouerschnitt durch den halben
Ofen unterhalb der Sammelrohre 6 wieder. Je zwei nebeneinanderliegende Sammler der
Sammlerrohrreihen 5 und 6 bilden ein Rohrelement, in welches je nach de!m zur Verfügung
stehenden Raum mehrere Gruppen haarnadelförmig gebogene Rohre zusammengefaßt sind.
Gleichfalls sind die zum Haupt- bzw. zu den Zwischensammlern führenden, nach oben
abführenden Rohre stets paarweise angeordnet. Aus dem oberen Halbkreis der Fig.
2b ist zu ersehen, daß die Kiihl- bzw. Heizrohre derart angeordnet sind, daß zwischen
ihnen praktisch überall der gleiche Raum für die Katalysatormasse zur Verfügung
steht, so daß für eine. gleichmäßige Wärmezu- bzw. -ablführung bei der Reaktion
Sorge getragen ist. Zwischen den äußeren Rohren und dem Ofenmantel ist eine Isolierschicht
15 angeordnet, die verhindern soll, daß sich zwischen Ofenmantel und den äußerstenRo,hrenKatalysatormasse
festsetzen kann, wobei gleichzeitig der Abstand der Kühlfläche gewahrt bleibt.
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Die Fig. 3a stellt im Schnitt ein Sammzetrohr mit den angeschweißten
Rohren dar. Die Aus haltung ist aus der Figur ersichtlich.
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Die Fig. 3 b stellt die Ausführung der Haarnadelrohre um I800 gedreht
dar.