DK149162B - Reaktor og fremgangsmaade til gennemfoerelse af endoterme katalytiske processer - Google Patents

Description

1 U9162

Den foreliggende opfindelse angår en reaktor og en fremgangsmåde til gennemførelse af endoterroe katalytiske processer.

Opfindelsen angår nærmere bestemt en rørreaktor, og en fremgangsmåde til gennemførelse af en endoterm katalytisk gasfasereaktion, hvor den nødvendige varme tilføres ved indirekte varmeveksling gennem rørvæggene ved at lade et fordampet medium kondensere på disse.

Rørreaktorer udformet som varmevekslere til anvendelse ved endoterme processer er kendte. De kendte rørreaktorer er i princippet opbygget af en reaktorskal indeholdende to rørplader, hvorimellem der strækker sig et eller flere rør.

Disse reaktorer indeholder således et indgangskammer afgrænset af reaktorskallen og den ene rørplade, et udgangskammer afgrænset af den anden rørplade og reaktorskallen, og et mellemkammer afgrænset af de to rørplader og reaktorskallen, hvorved indgangs- og udgangskammer er forbundet indbyrdes med det eller de mellem de to rørplader anbragte rør.

De kendte rørreaktorer udformet som varmevekslere kan opdeles i to hovedtyper.

I den ene type (A) er katalysatoren anbragt i mellemkammeret omkring rørene, og den for gennemførelse af den endoterme reaktion nødvendige varme tilføres ved opvarmning af rørene indefra, f.eks. ved at lade et varmt medium strømme gennem disse.

I den anden type (B) er katalysatoren anbragt i rørene, som da opvarmes udefra, f.eks. ved at lade et varmt medium strømme omkring disse.

Reaktorer af typen (A) udmærker sig ved at muliggøre et stort katalysatorvolumen i forhold til reaktorens samlede volumen.

2 149162

For at opnå et stort katalysatorvolumen er det imidlertid nødvendigt at anvende rør med relativ lille diameter/ hvilket medfører et uønsket lavt varmeoverføringsareal. Det er naturligvis muligt at forøge dette areal ved at forøge antallet af rør, hvilket imidlertid sker på bekostning af katalysatorvoluminet/ ligesom det af økonomiske årsager er uønsket. En anden væsentlig ulempe ved reaktorer af typen (A) er den komplicerede påfyldning og udskiftning af katalysator.

Reaktorer af typen (B) udmærker sig ved at muliggøre et stort varmeoverføringsareal i forhold til katalysatorvoluminet og ved enkel påfyldning og udskiftning af katalysator. En væsentlig ulempe ved disse reaktorer er imidlertid, at de har et ringe katalysatorvolumen i forhold til reaktorvoluminet. Katalysatorvoluminet i en given reaktor forøges ved stigende rørdiameter, men konstruktionsmæssige hensyn sætter en grænse for, hvor tæt sammen rørene kan anbringes, og dermed for, hvor meget rørdiameteren og følgelig katalysatorvoluminet kan forøges.

En fælles ulempe ved reaktorer af såvel type (A) som type (B) er, at der i mange tilfælde vil forekomme alvorlige mekaniske spændinger som følge af forskelle i termisk udvidelse af de forskellige elementer, idet rørene er indspændt mellem to rørplader.

Det har nu vist sig, at det ved anvendelse af den særlige reaktorkonstruktion ifølge opfindelsen er muligt at undgå samtlige ovennævnte ulemper.

Opfindelsen angår således en reaktor til gennemførelse af endoterme, katalytiske gasfasereaktioner og omfattende en reaktorskal, rørplader, varmeoverføringsrør og en katalysatorfyldning, ved passage af hvilken en indgangsstrøm indeholdende et gasformigt udgangsmateriale omsættes under tilførsel af varme fra et varmeoverføringsmedium ved indirekte varmeveksling gennem rørvæggene, og er ejendommelig ved, 3 149162 at der anvendes én rørplade, at det eller de anvendte varmeoverføringsrør er dobbeltrør, som hver består af et indre rør og et udenom dette anbragt ydre rør, som er sammenføjet foroven tætsluttende med det indre rør og forneden med rørpladen, hvilke dobbeltrør strækker sig fra rørpladen og et stykke ind i et hovedkammer, at varmeoverføringsrørene forneden er forsynet med passager, hvorigennem et fordampet varmeoverførings-medium kan føres fra et bundkammer til et annulært rum mellem det indre rør og det ydre rør og der afgive varme ved indirekte varmeveksling gennem rørene til en katalysatorfyldning, der er anbragt såvel i de indre rør som omkring de ydre rør, og hvorigennem det efter varmeafgivelsen kondenserede varmeoverføringsmedium kan føres tilbage til bundkammeret, samt med tværgående kanaler, der forbinder hulrummet indeholdende katalysatorfyldningen i det indre rør med et udgangskammer, hvori den omsatte indgangsgas samles efter passage gennem katalysatorfyldningen omkring rørene hhv. gennem katalysatorfyldningen i rørene og de tværgående kanaler.

Opfindelsen angår endvidere en fremgangsmåde til gennemførelse af endoterme katalytiske gasfasereaktioner under anvendelse af den omhandlede reaktor, hvorved en indgangsstrøm indeholdende et gasformigt udgangsmateriale omsættes ved passage gennem en katalysatorfyldning under tilførsel af varme ved indirekte varmeveksling med et for-· dampet varmeoverføringsmedium, og er ejendommelig ved, at indgangsgasstrømmen omsættes under passage gennem en katalysatorfyldning, der er anbragt såvel i som omkring varmeoverføringsrør, som er dobbeltrør, der hver består af et indre rør og et udenom dette anbragt ydre rør, som er sammenføjet. foroven tætsluttende med det indre rør og forneden med en rørplade, idet der tilføres varme til den katalytiske reaktion 4 149162 ved indirekte varmeveksling med varmeoverføringsmediet gennem såvel det indre som det ydre rørs væg under samtidig kondensation af varmeoverføringsmediet på rørvæggen, og idet varmeoverføringsmediet såvel indføres i som udtages fra det annulare rum mellem det indre rør og det ydre rør gennem passager anbragt forneden i varmeoverføringsrørene.

Opfindelsen vil i det følgende blive beskrevet nærmere under henvisning til tegningen, der i skematisk form viser en foretrukken udførelsesform af reaktoren ifølge opfindelsen.

På tegningen viser

Fig. 1 et længdesnit gennem en reaktor ifølge opfindelsen,

Fig. 2 et længdesnit gennem et dobbeltrør i den i

Fig. 1 viste reaktor, og

Fig. 3 et tværsnit langs A-A gennem et dobbeltrør i den i Fig. 1 viste reaktor.

En indgangsstrøm af procesgas ledes gennem en indgangsåbning 1 i en reaktorskal 2 ind i reaktorens hovedkammer 3. Hovedkammeret 3 er afgrænset af reaktorskallen 2 og af en rørplade 4. I rørpladen 4 er anbragt dobbeltrør 5 bestående af et indre rør 6 og et ydre rør 7. Det ydre rør 7 er her anbragt koncentrisk udenom det indre rør 6 og er foroven sammenføjet tætsluttende med dette. Mellem rørene 6 og 7 fremkommer der således et annulært rum 8, som er aflukket i forhold til hovedkammeret 3 men står i forbindelse med et bundkammer 9 under rørpladen 4. Det indre rør 6 er åbent foroven og står derved i forbindelse med hovedkammeret 3.

Den nederste ende af det indre rør 6 er forsynet med en bundplade 10, og ovenfor denne bundplade 10 er der anbragt tværgående kanaler 11, som forbinder det indre rør 6 med et udgangskammer 12 dannet nederst i hovedkammeret 3 og afgrænset fra dette af et parallelt med rørpladen 4 anbragt 5 149162 gitter 13. Procesgasstrømmen ledes gennem hovedkammeret 3 frem til udgangskammeret 12 og udtages fra reaktoren gennem en udgangsåbning 14. Gasstrømmens passage gennem hovedkammeret 3 frem til udgangskammeret 12 sker ved aksial, nedadgående passage dels gennem en katalysatorfyldning 15, der er anbragt omkring de ydre rør 7 i dobbelttrørene 5 og hviler på gitteret 13, og dels gennem en katalysatorfyldning 16, der er anbragt i de indre rør 6 i dobbeltrørene 5 og hviler på bundpladen 10 og derfra gennem de tværgående kanaler 11 frem til udgangskammeret 12. Gasstrømmen omsættes herunder ved passagen gennem katalysatorfyldningerne 15 og 16. Den for omsætning af gasstrømmen nødvendige varme tilføres gennem væggene i rørene 6 og 7 ved indirekte varmeveksling med et fordampet medium, der indføres i det annulære rum 8.

Det fordampede medium, f.eks. vanddamp, ledes fra en dampgenerator (ikke vist på tegningen) gennem en dampindgangsåbning 17 ind i et bundkammer 9. Det fordampede medium ledes derefter gennem passagerne 18 og 19 frem til det annulære rum 8. Den ved den indirekte varmeveksling afgivne varme bevirker afkøling og kondensation af det fordampede medium på væggene af rørene 6 og 7. Det kondenserede medium strømmer ned ad rørvæggene gennem passagerne 19 og 18 frem til bundkammeret 9, hvorfra det udtages gennem udløbet 20 og recirkuleres til fornyet opvarmning i dampgeneratoren.

Den ovenfor beskrevne reaktor er som nævnt en af de foretrukne udførelsesformer af reaktoren ifølge opfindelsen, og en række enkeltheder ved reaktoren og dens anvendelse kan ændres indenfor opfindelsens rammer.

Ved den ovenstående gennemgang anvendes der vanddamp frembragt udenfor reaktoren som varmeoverføringsmedium.

Det er ligeledes muligt at anvende andre varmeoverførings-medier, ligesom det er muligt at gennemføre opvarmning af mediet indenfor reaktoren. Egnede varmeoverføringsmedier er generelt sådanne, hvis kogepunkt ved det anvendte tryk ligger i det temperaturområde, hvor den endoterme reaktion gennemføres. Det kan eksempelvis nævnes, at vand har et 6 149162 kogepunkt på 223°C ved et overtryk på 24 kg/ciu og et kogepunkt på 256°C ved et overtryk på 44 kg/cm2, og at varme- overføringsmediet Dowtherm ® har et kogepunkt på ca.

250-260°C ved et overtryk på 0 kg/cm^.

Da strømningen af det kondenserede medium på rørvæggen sker som følge af tyngdekraften, er en vis niveauforskel mellem et dobbeltrørs ender naturligvis nødvendig.

Dette indebærer dog ikke, at reaktoren skal opstilles vertikalt, idet en vis hældning under visse omstændigheder kan være fordelagtig, navnlig med henblik på fri strømning af det kondenserede medium.

I den ovenfor beskrevne udførelsesform af reaktoren ifølge opfindelsen hviler katalysatorfyldningen omkring rørene på et gitter 13, medens katalysatorfyldningen i rørene, hviler på rørenes bundplade 10. Det er også muligt at anbringe gitre i rørene, således at katalysatorfyldningen hviler på disse, ligesom andre måder at understøtte katalysatoren på kan anvendes. Det væsentlige er, at der skal sikres fri passage for den omsatte gas frem til udgangsåbningen 14.

For at opnå en ensartet fordeling af gasstrømmen mellem den strøm, der passerer omkring rørene, og den, der passerer gennem disse, vil det i visse tilfælde være hensigtsmæssigt at regulere den ene af disse strømme. Dette kan ske ved at ændre strømningsmodstanden, f.eks. ved indbygning af perforerede plader el. lign.

Under visse omstændigheder vil der kunne ske en ophobning af gasser i den øverste del af det annulære rum.

Dette vil f.eks. være tilfældet under opstart af reaktoren og kan ligeledes forekomme under drift som følge af gasdiffusion gennem rørvæggene eller indhold af ikke kondenserende gasser i varmeoverføringsmediet. Da tilstedeværelsen af sådanne gasser vil have uønsket indflydelse på reaktorens funktion, vil det være hensigtsmæssigt at forsyne reaktoren med midler til fjernelse af disse. Dette kan f.eks. ske ved 7 149162 at føre kapillarrør fra den øverste del af det annulære rum, gennem bundkammeret og ud gennem trykskallen. Kapillarrøret kan f.eks. forsynes med en reguleringsanordning, således at der kontinuert eller periodevis kan udtages en vis gasmsngde gennem røret.

Der er ingen særlige bestemmelser for dimensionering af reaktoren eller de i denne indgående komponenter, ligesom sammenføjningen af komponenterne kan ske på flere forskellige måder. I de tilfælde, hvor der anvendes dobbeltrør, hvor forskellen i diameter mellem indre og ydre rør er relativ lille og det annulære rum derfor relativ snævert, kan det være fordelagtigt at sikre fri strømning af det kondenserede varmeoverføringsmedium ved anbringelse af langsgående "væger", f.eks. metaltrådspiraler, i det annulære rum.

I den på tegningen viste udførelsesform af reaktoren ifølge opfindelsen har såvel indre som ydre rør cirkulært tværsnit, og de er anbragt koncentrisk. Det er imidlertid også muligt at anvende rør med andre tværsnitsformer, ligesom det er muligt at placere rørene excentrisk.

Da reaktoren som nævnt anvendes til·gennemførelse af endoterme reaktioner vil man som regel udnytte dobbeltrørenes varmeoverføringsareal fuldt ud, d.v.s. at der påfyldes en sådan mængde katalysator, at katalysatorfyldningen når op til rørenes overkant.

Ved konstruktion af rørreaktorer til gennemførelse af endoterme katalytiske processer søger man, som det fremgår af indledningen, at opnå følgende: 1) Stort katalysatorvolumen pr. reaktorvolumen.

2) Stort varmeoverføringsareal pr. katalysatormængde.

3) Ukompliceret påfyldning og udskiftning af katalysator .

8 149162 I den nedenstående Tabel 1 er der foretaget en sammenligning mellem forskellige konventionelle reaktorudformninger og en reaktorudformning ifølge opfindelsen. Dimensioneringen af reaktorerne er sket under hensyntagen til, at den maksimale afstand fra et vilkårligt punkt i katalysatorfyldningen til den nærmeste varme væg ikke må overstige ca. 13 mm, hvis en acceptabel temperaturprofil skal opnås. Der er ligeledes taget hensyn til·, at konstruktionsmæssige hensyn sætter en grænse for det mindst tilladelige pitch (afstand mellem rørcentrer). I den i Tabel 1 benyttede reaktorudformning ifølge opfindelsen er rørene anbragt i trekant-pitch, d.v.s. at rørcentrene danner et geometrisk mønster bestående af ligesidede trekanter. Dette skal ikke opfattes som en begrænsning, idet et hvilket som helst geometrisk mønster vil kunne anvendes.

149162 9 TABEL 1

Sammenligning af forskellige reaktorudformninger "" Reaktor Reaktor

Beaktor med kata- med ifølge lysator udenom rør kataly- opfind- sator i elsen rør 1 2 3 4 5

Ydre diameter af rør, nta 12,7 44,5 12,7 31,8 44,5/-

Indre diameter af rør, inn - - - 26,2 -/26,8

Pitch, mm Δ 33,51} 61,1^ 25,4 39,72) 58 2

Katalysatorvolumen pr. m _3 tværsnit og m højde, 0,87 0,52 0,77 0,39 0,66

mJ

7armeoverføringsareal pr.

n3 katalysator, m2/m3 47 83 92 153 117 total rør pr. m2 tværsnit 1029 309 1790 732 343

Enkel katalysatorskift Nej Nej Nej Ja Ja

Noter: 1) Pitch svarende til antagelsen om 13 mm.

2) Mindst tilladelige Pitch.

10 149162

Det fremgår af tabellen, at alene reaktorudformningen ifølge opfindelsen gør det muligt at opfylde de ovenstående punkter 1) til 3) samtidig.

Reaktoren ifølge opfindelsen er generelt anvendelig til gennemførelse af endoterme katalytiske processer, og især sådanne, som kræver tilførsel af en velfordelt relativ stor varmemængde, og som Ønskes gennemført i en relativ kompakt reaktor. Som et eksempel på en sådan proces kan nævnes produktion af hydrogen i lille til middelstor skala ved katalytisk spaltning af methanol. Methanolspaltningen foregår hovedsageligt efter reaktionsligningen: CH3OH + H20—»3H2 + C02

Opfindelsen vil i det følgende blive belyst nærmere ved hjælp af et eksempel.

Eksempel 3

Fremstilling af hydrogen i en mængde på 1000 Nm /h ved methanolspaltning vil kunne gennemføres i den på tegningen viste udførelsesforra af reaktoren ifølge opfindelsen som beskrevet i det følgende.

En methanolspaltningskatalysator med en partikelstørrelse på ca. 4,5 mm fyldes i reaktorens hovedkammer i en sådan mængde, at katalysatorfyldningen såvel i som omkring dobbeltrørene når op til overkanten af disse.

En dampkedel forbindes med reaktorens bundkammer.

Fra dampkedlen tilføres mættet vanddamp i en mængde på 775 kg/h ved et overtryk på 44 kg/cm . Det efter varmeafgivelsen kondenserede vand recirkuleres til dampkedlen til fornyet opvarmning.

11 149162

En indgangsstrøm indeholdende gasformigt methanol og vanddamp omsættes ved passage gennem katalysator fyldningen, idet den for omsætningen nødvendige varmemængde tilføres med den ovennævnte mættede vanddamp ved indirekte varmeveksling gennem de indre og ydre rør i dobbelt rørene. Gasmængder og -sammensætninger samt øvrige driftsbetingelser fremgår af den følgende Tabel 2.

Tabel 2

Gas ind Gas ud 3

Gasmængde, Nm /time 1156 2026

Temperatur, °C 250 250

Overtryk, kg/cm2 22,5 21,5

Sammensætning, vol % H2 64,7 CO 1,2 C02 20,7 CH30H 40,0 0,5 H20 60,0 12,9

Claims (2)

12 149162

1. Reaktor til gennemførelse af endoterme, kata lytiske gasfasereaktioner og omfattende en reaktorskal (2) , rørplader (4) , varmeoverføringsrør (5) og en katalysatorfyldning (15, 16), ved passage af hvilken en indgangsstrøm indeholdende et gasformigt udgangsmateriale omsættes under tilførsel af varme fra et varme-overføringsmedium ved indirekte varmeveksling gennem rørvæggene, kendetegnet ved, at der anvendes én rørplade (4), at det eller de anvendte varmeoverføringsrør (5) er dobbeltrør, som hver består af et indre rør (6) og et udenom dette anbragt ydre rør (7), som er sammenføjet foroven tætsluttende med det indre rør (6) og forneden med rørpladen (4), hvilke dobbeltrør strækker sig fra rørpladen (4) og et stykke ind i et hovedkammer (3), at varmeoverføringsrørene (5) forneden er forsynet med passager (19), hvorigennem et fordampet varmeoverføringsmedium kan føres fra et bundkammer (9) til et annulært rum (8) mellem det indre rør (6) og det ydre rør (7) og der afgive varme ved indirekte varmeveksling gennem rørene (6, 7) til en katalysatorfyldning (15, 16), der er anbragt såvel i de indre rør (6) som omkring de ydre rør (7), og hvorigennem det efter varmeafgivelsen kondenserede varmeoverføringsmedium kan føres tilbage til bundkammeret (9), samt med tværgående kanaler (11), der forbinder hulrummet indeholdende katalysatorfyldningen (16) i det indre rør (6) med et udgangskammer (12), hvori den omsatte indgangsgas samles efter passage gennem katalysatorfyldningen (15) omkring rørene hhv. gennem katalysatorfyldningen (16) i rørene og de tværgående kanaler (11).