DE940977C

DE940977C - Vorrichtung zur Durchfuehrung exothermer katalytischer Gasreaktionen

Info

Publication number: DE940977C
Application number: DE1948P0022115
Authority: DE
Inventors: Adolf Dr Johannsen
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1948-11-19
Filing date: 1948-11-19
Publication date: 1956-03-29
Also published as: FR998178A; BE491640A; GB660540A

Description

iWiGBl.S.175)

AUSGEGEBEN AM 29. MÄRZ 1956

ρ 22115 IVa/12 g D

ist als Erfinder genannt worden

Es ist schon vor längerer Zeit eine Vorrichtung für die Durchführung exothermer katalytischer Gasreaktionen in mehreren Umsatzstufen bekanntgeworden, in der mehrere Kontaktschichten und Wärmeaustauscher abwechselnd hintereinander in einem gemeinsamen Behälter angeordnet sind. Dieser Vorschlag hat jedoch keinen Eingang in die Technik gefunden. Wärmeaustauscher und Kontakträume haben in dieser Vorrichtung den gleichen Querschnitt; dies ist zur Erzielung eines optimalen Wärmeübergangs im Austauscher einerseits und zur Erzielung eines möglichst geringen Strömungswiderstandes im Kontaktraum andererseits nicht günstig. Die Vorrichtung weist weiterhin den Nachteil auf, daß, abgesehen von den Vorrichtungsteilen in der Nähe der Behälteröffnung, sowohl die Wärmeaustauschelemente als auch die nachgeschalteten Kontakträume für Reparaturen und für das Auswechseln der Kontaktmasse nur schwer zugänglich sind.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytischer Gasreaktionen in mehreren Umsatzstufen, die von diesen Nachteilen frei ist. Gemäß der Erfindung sind zylindrische Rohrbündel-Wärmeaustauscher zentrisch in die in Form von Zylinderringen angeordneten Kontakträume eingebaut, und im Mantel der Wärmeaustauscher, vorzugsweise in der Nähe der Grundplatten des Rohrbündels, sind Aussparungen oder Öffnungen vorgesehen, durch welche die Reaktionsgase unmittelbar oder durch die Rohrbündel mantelförmig umgebenden Zwischenräume in die Kontakträume austreten oder in die Wärmeaustauscher zurückströmen. Bei dieser Anordnung können die Querschnitte der Wärmeaustauscher und die Querschnitte der Kontakträume in jedem

gewünschten Verhältnis den optimalen Bedingungen angepaßt werden. Man hat es also in der Hand, einerseits hohe Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der Wärmeaustauscherrohre und im Raum zwischen den Rohren zu erzielen und andererseits durch Vergrößerung der Grundfläche der zylinderringförmigen ' Kontaktbehälter den Strömungswiderstand in der Kontaktmasse auf jedes gewünschte Maß herabzusetzen. Der zentrische Einbau der Wärmeaustauscher unmittelbar in die Kontakträume und die dadurch erzielte gedrungene Bauart der gesamten Vorrichtung bietet den Vorteil, daß sich durch die große Wärmekapazität des aus metallischen Werkstoffen hergestellten Wärmeaustauschers einerseits und durch die kleinere strahlende Oberfläche andererseits die thermische Stabilität der Vorrichtung beachtlich erhöht. Dies hat zur Folge, daß Betriebsunterbrechungen oder zeitweilige Verminderungen der Belastung des Gesamtsystems besser überbrückt werden können. Ein weiterer Vorteil ist darin zu erblicken, daß die Reaktionsgase von der Mitte aus in die Kontakträume eintreten, wodurch eine gleichmäßige Gasverteilung über die ringförmigen Kontakträume gewährleistet wird.

In Fig. ι ist eine Ausführungsform der Erfindung in schematischer Weise dargestellt. Mit i, 2 und 3 sind drei hintereinandergeschaltete Kontakträume, mit 4 und 5 die zwischengeschalteten, zentrisch eingebauten Rohrbündel-Wärmeaustauscher bezeichnet. Die umzusetzenden Reaktionsgase treten durch die Zuleitung 6 zunächst in den Verteilerraum 7 ein, durchströmen nacheinander die Rohre der Wärmeaustauscher 5 und 4 und erwärmen sich hierbei im Wärmeaustausch mit den aus den Kontakträumen 1 und 2· austretenden Reaktionsgasen auf die für das Ingangkonimen der Reaktion erforderliche Temperatur. Durch die in der Wandung des Gassammeiraums 8 angebrachten Öffnungen treten die vorgewärmten Gase in den Kontaktraum 1 ein. Nachdem sich die Gase unter Temperaturerhöhung in der Kontaktmasse 1 teilweise umgesetzt haben, strömen sie durch den mantelförmigen Zwischenraum 9 und die Aussparungeti am oberen Ende des Wärmeaustauschermantels in den äußeren Raum des Wärmeaustauschers 4 zurück. Hier werden sie im Gegenstrom zu den innerhalb der Rohre strömenden Frischgasen geführt, wobei in bekannter Weise durch Prallplatten die für die Verbesserung des Wärmeaustauschers zweckmäßigste Strömung der Gase erzwungen werden kann. Durch Aussparungen im Mantel am unteren Ende des Wärmeaustauschers 4 und oben am Zwischenraum ro treten die Gase mit erniedrigter Temperatur in den Kontaktraum 2 über. Hier setzt unter Einwirkung der Kontaktmasse der Umsatz wieder ein. Die sich hierbei wieder erwärmenden Gase treten durch den Sammelraum 11 in den Wärmeaustauscher 5 ein, werden hier wiederum im Wärmeaustausch mit den in den Rohren strömenden Frischgasen abgekühlt, um dann durch die Aussparungen am unteren Ende des Wärmeaustauschermantels und durch den Zwischenraum 12 von oben in den Kontaktraum 3 wiederum mit erniedrigter Temperatur einzutreten. Hier wird die Umsetzung zu Ende geführt. Die Gase- treten durch den Sammelraum 13 und die Ableitung 14 aus. Ihre" fühlbare Wärme kann in einem Wärmeaustauscher außerhalb des Kontaktofens zur Aufheizung der durch die Zuleitung 6 eintretenden Frischgase nutzbar gemacht werden.

Da die heißen Gase außerhalb der Rohre des Wärmeaustauschers und die kälteren Gase innerhalb der Rohre strömen, wird eine starke thermische Beanspruchung der Grundplatten des Wärmeaustauschers und der empfindlichen Einwalzstellen der Wärmeaustauscherrohre vermieden und damit eine .. längere Betriebsdauer der Wärmeaustauscher gewährleistet. Erfahrungsgemäß lassen sich jedoch bei höheren Temperaturen Schäden an den Wärmeaustauschern im Dauerbetrieb nicht gänzlich vermeiden, auch wenn die Rohre aus hochwertigen metallischen Werkstoffen hergestellt sind oder durch besondere Oberflächenbehandlung oder durch Über- ziehen mit Schutzrohren an den Stellen, an denen die heißen Gase auftreten, besonders geschützt werden, so daß ein Auswechseln von Rohren gelegentlich erforderlich ist. Um dies zu ermöglichen, kann man die Wärmeaustauscher in die Vorrichtung so einbauen, daß die Grundplatten der Wärmeaustauscher durch besondere Montageöffnungen zugänglich sind.

Eine Vorrichtung, die unter Berücksichtigung dieses Gesichtspunktes gestaltet ist, ist in der Fig. 2 dargestellt. Mit 1,2 und 3 sind drei hintereinandergeschaltete Kontaktbehälter bezeichnet, mit 4 und S die zentrisch eingebauten Rohrbündel-Wärmeaustauscher, mit 6 ein äußerer Wärmeaustauscher zur Vorheizung der durch die Zuleitung 7 eintretenden Frischgase, im Wärmeaustausch mit den durch die Rohre des Wärmeaustauschers 6 strömenden und bei 8 austretenden umgesetzten Gasen. Der Strömungsverlaul ist im übrigen aus den eingezeichneten Pfeilen zu erkennen. Kalte Frischgase können nach Bedarf durch die Nebenleitungen 9 und 10 den aus den beiden Wärmeaustauschern 4 und 5 austretenden Gasen zugeführt werden, wodurch eine besonders genaue Einstellung der Temperatur in den einzelnen Umsatzstufen erzielt werden kann. Die Nebenleitung 11 ermöglicht eine teilweise Ausschaltung des Wärmeaustauschers 6. Mit 12,13,14 und 15 sind die für die Durchführung von Reparaturen an den Wärmeaustauschern vorgesehenen Montageöffnungen bezeichnet. Nach Bedarf können weitere Kontaktbehälter mit zentrisch eingebauten Wärmeaustauschern hinter den Kontaktbehälter 3 geschaltet werden. Des weiteren können zusätzliche Mittel zur Temperaturregelung, z. B. um die Kontaktbehälter angeordnete Kühlmäntel, Anwendung finden.

Für Gas reaktionen, bei denen besonders hohe Temperaturen auftreten und daher mit "einem starken Verschleiß der Wärmeaustauscherrohre zu rechnen ist, kann mit Vorteil eine Vorrichtung Anwendung finden, bei. der entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Rohrbün-

del des Wärmeaustauschers mit den beiden Grundplatten einen selbständigen Teil bildet, so daß er als Ganzes aus der Apparatur entfernt werden kann, während der Mantel mit den umgebenden Gaszwischenräumen als fester Bestandteil des Kontaktbehälters ausgebildet wird. Eine derartige Anordnung kann auch dann mit Vorteil gewählt werden, wenn die Kontaktbehälter mit keramischem Werkstoff ausgekleidet werden. Die Mäntel und ίο Gaszwischenräume lassen sich ebenfalls aus keramischem Material ausführen, so daß metallische Werkstoffe der Einwirkung der hocherhitzten Gase weitgehend entzogen werden. Lediglich die Metallrohre des Wärmeaustauschers unterliegen dieser Einwirkung, doch sind diese durch die durchströmenden kälteren Gase gegen Überhitzung geschützt und außerdem für Reparaturarbeiten durch Herausnehmen des Rohrbündels leicht zugänglich. In Fig. 3 ist eine Vorrichtung mit herausnehmbaren Rohrbündeln und fest eingebautem Mantel aus keramischem Material veranschaulicht. Die hintereinandergeschalteten Kontaktschichten 1 und 2 sind in einem mit keramischem Material 3 ausgekleideten Behälter 4 eingebaut. Das Wärmeaustauscher-Rohrbündel 5 läßt sich durch die Montageöffnung 6 herausheben. 7 und 8 stellen aus metallischen Werkstoffen hergestellte und als Kompensationszwischenstücke ausgebildete Teile dar, die der Abdichtung der getrennt zu haltenden Gasräume dienen. Sie können z. B. auch durch Sandabdichtungen ersetzt werden. 9 sind die aus keramischem Material bestehenden zylinderförmigen Wände des Wärmeaustauschers und die inneren Wandungen der Kontaktbehälter. Bei 10 ist das Rohrbündel in die Auskleidung 3 eingedichtet. Die umzusetzenden Gase treten durch 11 in den Verteilungsraum 12 ein, durchströmen die Rohre des Wärmeaustauschers S, treten oben in den Kontaktraum i, verlassen diesen durch den Sammelraum 13 und den Zwischenraum 14, um dann um die Rohre des Wärmeaustauschers 5 abwärts im Gegenstromaustausch mit den sich in den Rohren aufwärts bewegenden Frisehgasen zu strömen und durch den Zwischenraum 15 in den nachgeschalteten Kontaktraum 2 zu gelangen. Nach beendigtem Umsatz ver lassen sie über den Sammelraum 16 und den äußeren Ringraum 17 durch die Ableitung 18 den Kontaktofen,

Bei den beschriebenen Ausführungsformen können an den äußeren Mänteln oder in den Zwischenboden der Kontaktbehälter Mannlochklappen angebracht werden, durch welche die Kontaktmasse eingefüllt und entfernt werden kann.

Claims

Patentansprüche:

i. Vorrichtung zur Durchführung exothermer, katalytischer Gasreaktionen in mehreren Umsatzstufen unter Zwischenschaltung von Wärmeaustauschern für die in die Kontakträume ein- und austretenden Reaktionsgase, dadurch gekennzeichnet, daß zylinderförmige Rohrbündel-Wärmeaustauscher zentrisch in die in Form von Zylinderringen angeordneten Kon-• takträume eingebaut sind und daß in den Mänteln der Wärmeaustauscher, vorzugsweise in der Nähe der Grundplatten der Rohrbündel, Aussparungen oder Öffnungen vorgesehen sind, durch welche die Reaktionsgase unmittelbar oder durch die Rohrbündel mantelförmig umgebende Zwischenräume in die Kontakträume übertreten oder in die Wärmeaustauscher zurückströmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatten der Wärmeaustauscher durch Montageöffnungen zugang-Hch sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel des Wärmeaustauschers herausnehmbar ausgebildet ist und daß der Mantel mit den Gaszwischenräumen feste Bestandteile des Kontaktbehälters bildet.

Angezogene Druckschriften:

Lunge, Handbuch der Schwefelsäurefabrikation, 3. Auflage, 1903, S. 946 und 948;

Waeser, Handbuch der Schwefelsäurefabrikation, 1930, S. 1677.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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