EP2869918A1 - Reaktor zur durchführung einer exothermen reaktion in der gasphase - Google Patents

Reaktor zur durchführung einer exothermen reaktion in der gasphase

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Publication number
EP2869918A1
EP2869918A1 EP13734393.5A EP13734393A EP2869918A1 EP 2869918 A1 EP2869918 A1 EP 2869918A1 EP 13734393 A EP13734393 A EP 13734393A EP 2869918 A1 EP2869918 A1 EP 2869918A1
Authority
EP
European Patent Office
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reactor
inner shell
gas
jacket
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13734393.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Bogenstätter
Heribert Deck
Ortwin GROEHL
Thomas WEESER
Jan Ulrich
Jasmina Kessel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Priority to EP13734393.5A priority Critical patent/EP2869918A1/de
Publication of EP2869918A1 publication Critical patent/EP2869918A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/02—Apparatus characterised by being constructed of material selected for its chemically-resistant properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/02—Apparatus characterised by their chemically-resistant properties
    • B01J2219/0204—Apparatus characterised by their chemically-resistant properties comprising coatings on the surfaces in direct contact with the reactive components
    • B01J2219/0209—Apparatus characterised by their chemically-resistant properties comprising coatings on the surfaces in direct contact with the reactive components of glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J2219/0218—Apparatus characterised by their chemically-resistant properties comprising coatings on the surfaces in direct contact with the reactive components of ceramic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J2219/0204—Apparatus characterised by their chemically-resistant properties comprising coatings on the surfaces in direct contact with the reactive components
    • B01J2219/0236—Metal based

Definitions

  • the invention is based on a reactor for carrying out an exothermic reaction in the gas phase, comprising a container with a jacket of a metallic material.
  • Corresponding reactors are used, for example, in reactions which are carried out at elevated temperatures.
  • the material from which the reactor is made must be selected so that it is stable at the temperatures that prevail inside the reactor.
  • the jacket of the reactor is generally a supporting part on which additionally loads the mass of the reactor.
  • a reaction conducted at elevated temperature with corrosive media is the oxidation of sulfur dioxide to sulfur trioxide.
  • the reactors currently used for this oxidation are usually made of stainless steel.
  • the material is damaged due to the temperatures occurring during the oxidation, which leads to a reduction in the creep strength and thus also to a shorter life of the reactor.
  • the generally used stainless steels with the material numbers 1 .4878 or 1.4541 are subject to creep damage at temperatures of more than 560 ° C. The damage results from a change in the mechanical technological material properties, which can lead to failure depending on the progress of the damage.
  • a reactor for carrying out an exothermic reaction in the gas phase comprising a container with a jacket of a metallic material, wherein an inner shell is accommodated in the interior of the reactor, wherein the inner shell has a distance of at least 50 mm to the inside of the shell.
  • an additional gas layer is formed between the inner shell and the jacket of the reactor.
  • the gas layer has an insulating effect, so that the temperatures acting on the jacket are lower than the temperatures inside the reactor. This avoids that the jacket is exposed to temperatures that adversely affect the stability of the shell, so that the service life of the reactor is increased.
  • the use of the inner shell avoids that the material of the shell becomes brittle due to the temperatures within the reactor and thus the stability and the strength of the shell decrease.
  • An embrittlement of the inner shell affects by far not so dramatic, since the inner shell has no supporting function. Unlike embrittlement of the shell, embrittlement of the inner shell does not lead to possible failure of the reactor.
  • the reactor according to the invention is particularly suitable for carrying out exothermic reactions in the gas phase, which are carried out at elevated temperatures, for example at temperatures of more than 300 ° C., preferably at temperatures of more than 500 ° C.
  • the reactor is suitable for carrying out reactions which contain aggressive media with respect to the material of the jacket, for example for reacting sulfur dioxide with oxygen to form SO 3.
  • SO3 produced in this way is used, for example, in the production of sulfuric acid.
  • the inner shell is made of the same material as the shell.
  • a material for the production of jacket and inner shell is suitable for example stainless steel.
  • the stainless steel is chosen so that it is stable against the media contained in the reactor.
  • stainless steels with the material numbers 1 .4878 or 1.4541 are suitable. These are stable to the sulfur dioxide and sulfur trioxide contained in the reactor and also have a sufficient long-term stability, when the temperature to which the stainless steel is exposed, can be kept smaller than 560 ° C. Since the inner shell, unlike the jacket, has no supporting function, embrittlement and the concomitant decrease in the strength of the material do not lead to a failure of the reactor. And under normal operating conditions also not to damage the inner shell.
  • Another advantage of the inner shell is that damage to the inner shell is possible without having to replace the entire reactor.
  • different materials for the production of sheath and inner shell For example, it is possible to use different steels.
  • manufacture the jacket from a steel and the inner shell of a material inert and temperature-stable material compared to the substances contained in the reactor.
  • a material for the inner shell for example, non-metals, such as a ceramic or glass can be used.
  • a coating material for the inner shell is suitable for example high temperature resistant mineral wool.
  • the jacket from a material other than stainless steel. Again, it is necessary to use a material that is stable to the substances contained in the reactor. Due to the inner shell and the gas phase between the inner shell and the jacket, the temperature to which the shell is exposed is lower than the temperature inside the reactor. Therefore, a material for the jacket can be used, which is less temperature stable than a stainless steel. However, it is preferred to use stainless steel as the material for the jacket. Furthermore, it is particularly preferred to manufacture the jacket and inner shell from the same material.
  • a gap is formed between the inner shell and the bottom and / or top of the reactor.
  • gas can flow from the reactor into the gap between the inner shell and jacket. This ensures in particular that the same pressure prevails in the gap between inner shell and jacket as in the reactor.
  • the inner shell is not loaded from the inside on one side with pressure, but the pressure acts evenly from all sides to the inner shell.
  • the gap between the inner shell and the bottom and / or cover of the reactor is kept so small that, although a pressure equalization takes place, but only a small gas flow through the gap between the inner shell and jacket is generated.
  • the less the gas moves in the gap between inner shell and jacket the better is the insulating effect by the gas.
  • hot gas is regularly conveyed into the gap, so that the intended effect of insulation through the gap does not occur. With colder gas supplied, it is possible to cool the inner shell and the jacket by the gas flow.
  • the reactor contains internals.
  • internals for example, trays, structured or unstructured packings or random packings are used. understood.
  • Suitable trays that may be included in the reactor are, for example, trays, bubble-cap trays or any other trays known to those skilled in the art. It is particularly preferred if at least one bottom is received in the reactor as an installation.
  • At least one catalyst bed is contained in the reactor.
  • the catalyst bed can be designed, for example, as a fixed bed or as a fluidized bed. If the catalyst bed is a fluidized bed, preferably at least one bottom is accommodated in the reactor, which serves as a gas distributor in the fluidized bed. Between the granules for the fluidized bed and the overlying floor acting as a ceiling, a sufficiently large distance is left, that when flowing through the fluidized bed granulate with a gas, sufficient turbulence is possible.
  • the catalyst bed is a fixed bed.
  • the catalyst forming the fixed bed can rest, for example, on a floor. Unlike a fluidized bed, a fixed bed is independent of the flow direction.
  • the bottom on which the catalyst rests is, for example, a tray rack or a support plate for the catalyst.
  • a catalyst bed in the form of a fixed bed is preferred.
  • the reactor is subdivided into several segments, each segment having at least one inlet and at least one outlet and each segment containing a catalyst bed and a gas space above the catalyst bed.
  • the separation of the reactor into several segments is preferably carried out by intermediate floors.
  • the feed is in the case of a catalyst bed designed as a fixed bed, for example above the catalyst bed in the gas space, so that the gas flowing through the catalyst bed can be supplied via the feed.
  • the gas flowing through the catalyst bed is collected and can then be removed via a drain from the gas space below the catalyst bed.
  • the reactor according to the invention is used for the oxidation of sulfur dioxide to sulfur trioxide.
  • gaseous sulfur dioxide and an oxygen-containing gas are supplied and the sulfur dioxide reacts with the oxygen to sulfur trioxide.
  • oxygen-containing gas for example, oxygen or air can be used. If oxygen is used, it may additionally contain an inert gas. Age- natively, it is also possible to further enrich the oxygen in the air. However, the use of air is particularly preferred.
  • the gases are added at a temperature in the range of 400 to 460 ° C.
  • the reaction takes place in the presence of a catalyst at an overpressure of 0.4 bar. Due to the exothermic nature of the reaction, the sulfur trioxide leaving the reactor, sulfur dioxide and gas containing oxygen and nitrogen using the air have a temperature of 550 to 650 ° C. Accordingly, temperatures in this area also arise in the reactor. From a temperature of 560 ° C results in using steels 1.4878 or 1 .4541 reduced life by changing the mechanical technological material properties with a decrease in strength. In order to avoid a failure of the reactor, therefore, according to the invention, the inner shell is taken into the reactor.
  • the inner shell forms an insulating layer between the inner shell and the jacket of the reactor, so that the temperature acting on the jacket of the reactor is reduced.
  • the temperature of the jacket through the inner shell it is possible to set the temperature of the jacket through the inner shell to a temperature in the range between 400 and 560 ° C.
  • the creep strength is not reduced and thus increases the life of the reactor. Since the inner shell, in contrast to the reactor shell has no supporting function, embrittlement of the inner shell does not lead to an operation disturbing damage to the reactor.
  • the reactor also contains a fluidized bed
  • the material of the fluidized bed is catalytically active.
  • the entire fluidized bed granules can be catalytically active or alternatively, in addition to an inert granules, a heterogeneous catalyst may be contained in the fluidized bed, this may for example also be admixed in granular form the inert fluidized bed granules.
  • a heterogeneous catalyst may be contained in the fluidized bed, this may for example also be admixed in granular form the inert fluidized bed granules.
  • the entire fluidized bed granulate is catalytically active.
  • a catalytically active packing or catalytically active packing For a fixed bed, it is possible to use, for example, a catalytically active packing or catalytically active packing. In this case, it is particularly preferable to manufacture the packing or filling body from a carrier material, onto which the catalytically active material is applied.
  • the catalyst used is in each case the catalyst suitable for the reaction to be carried out in the reactor.
  • the reactor is made of a material other than stainless steel.
  • the material from which the shell of the reactor is made depends on the reaction. Normally, a material is used which is inert to the substances to be reacted in the reactor. Regardless of the material for the jacket, it is further preferred to manufacture the inner shell of the same material as the jacket. Such an inner shell is preferably used when the temperature acting on the material of the shell is so high that damage to the shell may occur.
  • the inner shell forms an insulating layer between the inner shell and the jacket, so that the temperature acting on the jacket of the reactor can be reduced.
  • FIG. 1 shows a section of a reactor designed according to the invention
  • FIG. 2 shows a temperature distribution without an inner shell
  • FIG. 1 shows a section of a reactor.
  • the section shows a right half of a reactor 1, which is divided into two segments 3.
  • other segments 3 may be included. These are then arranged correspondingly above or below.
  • each segment 3 has a lower gas space 5, a catalyst bed 7 and an upper gas space 9.
  • the catalyst bed 7 is usually designed in the form of a fixed bed and is located on a floor 1 1.
  • the bottom 1 1, for example, a rack or a support plate for the catalyst.
  • a gas stream is added to the upper gas space 9, which contains the educts necessary for the reaction. From the upper gas space 9, the gas stream is introduced into the catalyst bed 7. In the catalyst bed 7, the reactants of Gas flow converted to the product. The gas containing the product collects in the lower gas space 5 and can be removed therefrom. If complete conversion of the gas does not take place, the gas containing the product in the lower gas space 5 also contains educts.
  • a reactor has a metallic shell 13. Due to the high temperature inside the reactor, the jacket 13 is provided on its outside with an insulation 15. Due to the high temperatures occurring in the interior of the reactor during exothermic reactions, the jacket 13 is exposed to a correspondingly high temperature. This can lead to a temperature damage of the material of the shell 13 in some materials. Thus, for example, in the oxidation of sulfur dioxide to sulfur trioxide, the steels 1 .4878 or 1 .4541 usually used for the jacket 13 are subject to creep damage at the temperatures occurring during the reaction, which leads to a reduced lifetime of the entire reactor 1. The reduced service life results from an embrittlement with a decrease in the strength of the shell 13.
  • an inner shell 17 is accommodated in the interior of the reactor 1, which is positioned at a defined distance from the shell 13.
  • the inner shell 17 is arranged in particular at the positions in which temperatures occur in the reactor, which are above the temperature, which can lead to a time-state damage of the material of the shell 13.
  • the gap 19 between shell 13 and inner shell 17 is filled with a gas.
  • the gas has an insulating effect, so that the temperature acting on the jacket 13 is lower than without use of the inner shell 17. In this way, the temperature acting on the shell 13 below the critical temperature, which leads to a creep damage, can be maintained.
  • the inner shell 17 is preferably made of the same material as the shell 13th
  • the gas contained in the gap 19 between shell 13 and inner shell 17 is preferably the gas supplied to the reactor.
  • the gap 19 is open to the upper gas space 9.
  • the inner shell 17 in the region of the catalyst bed 7 and the lower gas space 5 and to provide an inlet gap between the bottom separating the catalyst bed 7 to the upper gas space 9, through which the gas can enter into the gap 19 between inner shell 17 and shell 13.
  • no bottom is provided above the catalyst bed 7, so that the gas can enter directly from the upper gas space 9 into the gap 19 between inner shell 17 and shell 13.
  • a temperature distribution without inner shell is shown by way of example in FIG.
  • the gas is supplied at a temperature of 450 ° C, flows through the upper gas space 9 until reaching the catalyst bed 7.
  • the temperature rises up to 630 ° C.
  • the gas is removed from the lower gas space 5 at a corresponding temperature.
  • the gas supply takes place again at a temperature of 450 ° C and the temperature increases in the catalyst bed again. Due to the sulfur dioxide already converted in the first segment, the maximum temperature in the second segment is lower than in the first segment and the temperature only rises to 560 ° C.
  • the metal of the jacket Due to the high temperature of the gas stream, the metal of the jacket also heats up. However, by convective heat transport and heat conduction, the maximum temperature at the jacket is lower than the temperature inside the gas stream. To- the temperature in the region of the lower gas space 5 decreases until it reaches the upper gas space 9 of an underlying segment, since the jacket is cooled in the region of the upper gas space 9 of the following segment. Due to heat conduction, this leads to a decrease in temperature in the lower gas space 5 of the segment lying above it. 3
  • the maximum temperature at the jacket due to the temperature in the gas stream, when using the steel jacket when using the reactor for the oxidation of sulfur dioxide to sulfur trioxide, is above the critical temperature at which a rupture damage of the steel occurs.
  • FIG. 3 shows, by way of example, the temperature profile in the gas stream and in the jacket when an inner shell is used.
  • the temperature profile in the gas flow corresponds to that which occurs even without the use of the inner shell.
  • the temperature acting on the jacket 13 is significantly lower.
  • the temperature maxima are approx. 525 ° C in the upper segment and approx. 500 ° C in the lower segment. This will keep the temperatures below the critical temperature at which the creep strength of the steel from which the jacket 13 is made will be reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung einer exothermen Reaktion in der Gasphase, umfassend einen Behälter mit einem Mantel (13) aus einem metallischen Werkstoff, wobei im Inneren des Reaktors (1) einen Innenhülle (17) aufgenommen ist, wobei die Innenhülle (17) einen Abstand von mindestens 50 mm zur Innenseite des Mantels (13) aufweist.

Description

Reaktor zur Durchführung einer exothermen Reaktion in der Gasphase Beschreibung Die Erfindung geht aus von einem Reaktor zur Durchführung einer exothermen Reaktion in der Gasphase, umfassend einen Behälter mit einem Mantel aus einem metallischen Werkstoff.
Entsprechende Reaktoren finden zum Beispiel Einsatz bei Reaktionen, die bei erhöh- ten Temperaturen durchgeführt werden. Hierbei muss das Material, aus dem der Reaktor gefertigt wird so ausgewählt sein, dass dieses bei den Temperaturen, die im Inneren des Reaktors herrschen, stabil ist. Insbesondere bei korrosiven Medien ergibt sich zusätzlich das Problem, dass das Material durch die eingesetzten Medien angegriffen wird und aufgrund der hohen Temperaturen, bei denen die Reaktion durchgeführt wird, eine zusätzliche Schwächung eintritt. Hierbei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass der Mantel des Reaktors im Allgemeinen ein tragendes Teil ist, auf dem zusätzlich die Masse des Reaktors lastet.
Eine Reaktion, die bei erhöhter Temperatur mit korrosiven Medien durchgeführt wird, ist zum Beispiel die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid.
Die derzeit für diese Oxidation eingesetzten Reaktoren werden üblicherweise aus Edelstahl gefertigt. Hier hat sich jedoch gezeigt, dass das Material aufgrund der bei der Oxidation auftretenden Temperaturen geschädigt wird, was zu einer Verringerung der Zeitstandsfestigkeit und somit auch zu einer geringeren Lebensdauer des Reaktors führt. So unterliegen zum Beispiel die im Allgemeinen eingesetzten Edelstahle mit den Werkstoffnummern 1 .4878 oder 1.4541 einer Zeitstandsschädigung bei Temperaturen von mehr als 560°C. Die Schädigung ergibt sich dabei aus einer Veränderung der mechanisch technologischen Werkstoffeigenschaften, die in Abhängigkeit vom Schädi- gungsfortschritt zum Versagen führen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Reaktor bereitzustellen, der gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Reaktoren bei der Durchführung einer exothermen Reaktion in der Gasphase eine erhöhte Standzeit aufweist be- ziehungsweise höhere Gasphasentemperaturen zulässt.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Reaktor zur Durchführung einer exothermen Reaktion in der Gasphase, umfassend einen Behälter mit einem Mantel aus einem metallischen Werkstoff, wobei im Inneren des Reaktors eine Innenhülle aufgenommen ist, wobei die Innenhülle einen Abstand von mindestens 50 mm zur Innenseite des Mantels aufweist.
Durch den Einsatz der Innenhülle wird eine zusätzliche Gasschicht zwischen der In- nenhülle und dem Mantel des Reaktors ausgebildet. Die Gasschicht wirkt isolierend, so dass die Temperaturen, die auf den Mantel wirken geringer sind als die Temperaturen im Inneren des Reaktors. Hierdurch wird vermieden, dass der Mantel Temperaturen ausgesetzt wird, die sich negativ auf die Stabilität des Mantels auswirken, so dass die Standzeit des Reaktors erhöht wird. Insbesondere wird durch den Einsatz der Innen- hülle vermieden, dass das Material des Mantels aufgrund der Temperaturen innerhalb des Reaktors spröde wird und so die Stabilität und die Festigkeit des Mantels sinken. Eine Versprödung der Innenhülle wirkt sich bei weitem nicht so dramatisch aus, da die Innenhülle keine tragende Funktion aufweist. Anders als eine Versprödung des Mantels führt eine Versprödung der Innenhülle nicht zu einem möglichen Versagen des Reaktors.
Der erfindungsgemäße Reaktor eignet sich insbesondere zur Durchführung von exothermen Reaktionen in der Gasphase, die bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen von mehr als 300°C, bevorzugt bei Temperaturen von mehr als 500°C durchgeführt werden. Insbesondere ist der Reaktor zur Durchführung von Reaktionen geeignet, die gegenüber dem Material des Mantels aggressive Medien enthalten, beispielsweise zur Umsetzung von Schwefeldioxid mit Sauerstoff zu SO3. Das so hergestellte SO3 findet beispielsweise Einsatz in der Herstellung von Schwefelsäure.
In einer Ausführungsform ist die Innenhülle aus dem gleichen Material gefertigt wie der Mantel. Als Material zur Fertigung von Mantel und Innenhülle eignet sich zum Beispiel Edelstahl. Hierbei wird der Edelstahl so gewählt, dass dieser stabil ist gegenüber den im Reaktor enthaltenen Medien. Bei Einsatz des Reaktors zur Herstellung von Schwe- feltrioxid durch Oxidation von Schwefeldioxid eignen sich zum Beispiel Edelstähle mit den Werkstoffnummern 1 .4878 oder 1.4541. Diese sind gegenüber dem im Reaktor enthaltenen Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid stabil und weisen auch eine hinreichende Langzeitstabilität auf, wenn die Temperatur, der der Edelstahl ausgesetzt ist, kleiner als 560°C gehalten werden kann. Da die Innenhülle im Unterschied zum Mantel keine tragende Funktion hat, führt eine Versprödung und damit verbundene Abnahme der Festigkeit des Materials nicht zu einem Versagen des Reaktors. Und unter üblichen Betriebsbedingungen auch nicht zu einer Beschädigung der Innenhülle.
Ein weiterer Vorteil der Innenhülle ist, dass bei einer Schädigung ein Austausch der Innenhülle möglich ist, ohne den gesamten Reaktor austauschen zu müssen. Alternativ zur Herstellung von Mantel und Innenhülle aus dem gleichen Material ist es auch möglich, unterschiedliche Materialien für die Herstellung von Mantel und Innenhülle einzusetzen. Hierbei ist es zum Beispiel möglich, verschiedene Stähle einzuset- zen. Auch ist es möglich, den Mantel aus einem Stahl zu fertigen und die Innenhülle aus einem gegenüber den im Reaktor enthaltenen Stoffen inerten und temperaturstabilen Material. Als Material für die Innenhülle können zum Beispiel auch Nichtmetalle, beispielsweise eine Keramik oder Glas genutzt werden. Auch ist es möglich, die Innenhülle zu beschichten, um die Wärmestrahlung zu verringern. Als Beschichtungsma- terial für die Innenhülle eignet sich zum Beispiel hochtemperaturbeständige Mineralwolle.
Auch ist es möglich, den Mantel aus einem von Edelstahl verschiedenen Material zu fertigen. Auch hier ist es notwendig, ein Material einzusetzen, das gegenüber den im Reaktor enthaltenen Stoffen stabil ist. Aufgrund der Innenhülle und der Gasphase zwischen Innenhülle und Mantel ist die Temperatur, der der Mantel ausgesetzt ist, kleiner als die Temperatur im Reaktorinneren. Daher kann auch ein Material für den Mantel eingesetzt werden, das weniger temperaturstabil ist als ein Edelstahl. Bevorzugt ist jedoch die Verwendung von Edelstahl als Material für den Mantel. Weiterhin ist es be- sonders bevorzugt, Mantel und Innenhülle aus dem gleichen Material zu fertigen.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Innenhülle und dem Boden und/oder Deckel des Reaktors ein Spalt ausgebildet. Durch den Spalt kann Gas aus dem Reaktor in den Spalt zwischen Innenhülle und Mantel strömen. Hierdurch wird insbesondere gewährleistet, dass im Spalt zwischen Innenhülle und Mantel der gleiche Druck herrscht wie im Reaktor. Hierdurch wird die Innenhülle nicht von innen einseitig mit Druck belastet, sondern der Druck wirkt gleichmäßig von allen Seiten auf die Innenhülle. Der Spalt zwischen Innenhülle und Boden und/oder Deckel des Reaktors wird so klein gehalten, dass zwar ein Druckausgleich erfolgt, jedoch nur eine geringe Gasströmung durch den Spalt zwischen Innenhülle und Mantel erzeugt wird. Je weniger sich das Gas im Spalt zwischen Innenhülle und Mantel bewegt, umso besser ist die Isolationswirkung durch das Gas. Bei einer gleichmäßigen Gasströmung wird demgegenüber regelmäßig heißes Gas in den Spalt gefördert, so dass die beabsichtigte Wirkung einer Isolierung durch den Spalt nicht eintritt. Bei kälterem zugeführtem Gas ist es möglich, die Innenhülle und den Mantel durch die Gasströmung zu kühlen.
In einer Ausführungsform enthält der Reaktor Einbauten. Als Einbauten werden zum Beispiel Böden, strukturierte oder unstrukturierte Packungen oder Füllkörperschüttun- gen verstanden. Geeignete Böden, die in dem Reaktor aufgenommen sein können, sind zum Beispiel Siebböden, Glockenböden oder jede beliebigen anderen, dem Fachmann bekannte Böden. Besonders bevorzugt ist es, wenn in dem Reaktor als Einbau mindestens ein Boden aufgenommen ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist in dem Reaktor mindestens ein Katalysatorbett enthalten. Das Katalysatorbett kann zum Beispiel als Festbett oder als Wirbelschicht ausgebildet sein. Wenn das Katalysatorbett eine Wirbelschicht ist, ist in dem Reaktor vorzugsweise mindestens ein Boden aufgenommen, der als Gasverteiler in die Wirbel- schicht dient. Zwischen dem Granulat für die Wirbelschicht und dem darüber liegenden als Decke wirkenden Boden wird ein ausreichend großer Abstand gelassen, dass bei Durchströmen des Wirbelschichtgranulates mit einem Gas eine ausreichende Verwir- belung möglich ist. Bevorzugt ist das Katalysatorbett ein Festbett. Hierzu kann der das Festbett bildende Katalysator zum Beispiel auf einem Boden aufliegen. Anders als bei einer Wirbelschicht ist ein Festbett unabhängig von der Strömungsrichtung. So kann dieses zum Beispiel auch von oben nach unten durchströmt werden. Wenn in dem Reaktor ein Katalysatorbett enthalten ist, ist der Boden, auf dem der Katalysator aufliegt, zum Beispiel ein Hordenrost oder ein Auflageblech für den Katalysator. Bei der Herstellung von SO3 durch Oxidation von Schwefeldioxid ist ein Katalysatorbett in Form eines Festbetts bevorzugt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Reaktor in mehrere Segmente unterteilt, wobei jedes Segment mindestens einen Zulauf und mindestens einen Ablauf aufweist und jedes Segment ein Katalysatorbett und einen Gasraum oberhalb des Katalysatorbetts enthält. Die Trennung des Reaktors in mehrere Segmente erfolgt dabei vorzugsweise durch Zwischenböden. Der Zulauf befindet sich bei einem als Festbett ausgebildeten Katalysatorbett zum Beispiel oberhalb des Katalysatorbetts in dem Gasraum, so dass über den Zulauf das durch das Katalysatorbett strömende Gas zugeführt werden kann. In einem Gasraum unterhalb des Katalysatorbetts wird das durch das Katalysatorbett strömende Gas gesammelt und kann dann über einen Ablauf aus dem Gasraum unterhalb des Katalysatorbetts entnommen werden.
Wenn ein Katalysatorbett eingesetzt wird, erfolgt in dem Katalysatorbett üblicherweise die chemische Reaktion. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Reaktor eingesetzt zur Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid. Hierzu werden gasförmiges Schwefeldioxid und ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt und das Schwefeldioxid reagiert mit dem Sauerstoff zu Schwefeltrioxid. Als sauerstoffhaltiges Gas kann beispielsweise Sauerstoff oder Luft eingesetzt werden. Wenn Sauerstoff eingesetzt wird, so kann zusätzlich ein Inertgas enthalten sein. Alter- nativ ist es auch möglich, den Sauerstoff in der Luft weiter anzureichern. Besonders bevorzugt ist jedoch die Verwendung von Luft.
Bei der Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid werden die Gase bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 460°C zugegeben. Die Reaktion erfolgt in Gegenwart eines Katalysators bei einem Überdruck von 0,4 bar. Aufgrund der Exothermie der Reaktion hat das den Reaktor verlassende Schwefeltrioxid, Schwefeldioxid und bei Einsatz von Luft Sauerstoff und Stickstoff enthaltende Gas eine Temperatur von 550 bis 650°C. Entsprechend entstehen auch im Reaktor Temperaturen in diesem Bereich. Ab einer Temperatur von 560°C ergibt sich bei Verwendung von Stählen 1.4878 oder 1 .4541 eine reduzierte Lebensdauer durch Veränderung der mechanisch technologischen Werkstoffeigenschaften mit Abnahme der Festigkeit. Um einen Ausfall des Reaktors zu vermeiden, wird daher erfindungsgemäß die Innenhülle in den Reaktor aufgenommen. Durch die Innenhülle bildet sich eine isolierende Schicht zwischen Innen- hülle und Mantel des Reaktors, so dass die auf den Mantel des Reaktors wirkende Temperatur verringert wird. So ist es zum Beispiel möglich, durch die Innenhülle die Temperatur des Mantels auf eine Temperatur im Bereich zwischen 400 und 560°C einzustellen. Hierdurch wird die Zeitstandsfestigkeit nicht reduziert und damit die Lebensdauer des Reaktors erhöht. Da die Innenhülle im Unterschied zum Reaktormantel keine tragende Funktion aufweist, führt eine Versprödung der Innenhülle nicht zu einer den Betrieb störenden Schädigung des Reaktors.
Wenn die Reaktion, beispielsweise die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt wird und der Reaktor zudem eine Wirbelschicht enthält, ist es insbesondere bevorzugt, wenn das Material der Wirbelschicht katalytisch aktiv ist. Hierzu kann zum einen das gesamte Wirbelschichtgranulat katalytisch aktiv sein oder alternativ kann in der Wirbelschicht zusätzlich zu einem inerten Granulat ein heterogener Katalysator enthalten sein, dieser kann zum Beispiel ebenfalls in Granulatform dem inerten Wirbelschichtgranulat zugemischt sein. Beson- ders bevorzugt ist es jedoch, wenn das gesamte Wirbelschichtgranulat katalytisch aktiv ist.
Bei einem Festbett ist es möglich, zum Beispiel eine katalytisch aktive Packung oder katalytisch aktive Füllkörper einzusetzen. Hierbei ist es insbesondere bevorzugt, die Packung oder Füllkörper aus einem Trägermaterial zu fertigen, auf das katalytisch aktives Material aufgebracht wird.
Als Katalysator wird dabei jeweils der für die in dem Reaktor durchzuführende Reaktion geeignete Katalysator eingesetzt. Wenn in dem Reaktor eine von der Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid verschiedene Reaktion durchgeführt wird, ist es auch möglich, dass der Reaktor aus einem von Edelstahl verschiedenen Material gefertigt wird. Das Material, aus dem der Mantel des Reaktors hergestellt wird, ist dabei abhängig von der Reaktion. Üblicher- weise wird ein Material eingesetzt, das gegenüber den umzusetzenden Stoffen im Reaktor inert ist. Unabhängig vom Material für den Mantel ist es weiterhin bevorzugt, die Innenhülle aus dem gleichen Material zu fertigen wie den Mantel. Eine solche Innenhülle wird vorzugsweise dann verwendet, wenn die Temperatur, die auf das Material des Mantels wirkt so hoch ist, dass eine Schädigung des Mantels auftreten kann.
Durch die Innenhülle wird eine isolierende Schicht zwischen Innenhülle und Mantel gebildet, so dass die Temperatur, die auf den Mantel des Reaktors wirkt, herabgesetzt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Abschnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten Reaktors,
Figur 2 eine Temperaturverteilung ohne Innenhülle,
Figur 3 eine Temperaturverteilung mit Innenhülle. In Figur 1 ist ein Ausschnitt aus einem Reaktor dargestellt.
Der Ausschnitt zeigt eine rechte Hälfte eines Reaktors 1 , der in zwei Segmente 3 geteilt ist. Zusätzlich zu den hier dargestellten zwei Segmenten 3 können auch weitere Segmente 3 enthalten sein. Diese werden dann entsprechend oberhalb bzw. unterhalb angeordnet.
Wenn der Reaktor zur Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid eingesetzt wird, weist üblicherweise jedes Segment 3 einen unteren Gasraum 5, ein Katalysatorbett 7 und einen oberen Gasraum 9 auf. Das Katalysatorbett 7 ist dabei üblicherweise in Form eines Festbetts gestaltet und liegt auf einem Boden 1 1. In diesem Fall ist der Boden 1 1 zum Beispiel ein Hordenrost oder ein Auflageblech für den Katalysator.
Im Betrieb wird dem oberen Gasraum 9 ein Gasstrom zugegeben, der die für die Reaktion notwendigen Edukte enthält. Aus dem oberen Gasraum 9 wird der Gasstrom in das Katalysatorbett 7 eingeleitet. Im Katalysatorbett 7 werden die Edukte des Gasstromes zum Produkt umgesetzt. Das das Produkt enthaltende Gas sammelt sich im unteren Gasraum 5 und kann aus diesem entnommen werden. Wenn keine vollständige Umsetzung des Gases stattfindet, enthält auch das das Produkt enthaltende Gas im unteren Gasraum 5 noch Edukte.
Bei einer exothermen Reaktion wird bei der Reaktion Wärme freigesetzt, wodurch sich insbesondere das Katalysatorbett 7 erwärmt. Da aus dem Katalysatorbett 7 das heiße Gas austritt, wird auch zumindest der Mantel unterhalb des Katalysatorbettes aufgeheizt.
Üblicherweise weist ein Reaktor einen metallischen Mantel 13 auf. Aufgrund der hohen Temperatur im Inneren des Reaktors ist der Mantel 13 an seiner Außenseite mit einer Isolierung 15 versehen. Aufgrund der bei exothermen Reaktionen auftretenden hohen Temperaturen im Inneren des Reaktors wird der Mantel 13 einer entsprechend hohen Temperatur ausgesetzt. Dies kann bei manchen Materialien zu einer Temperaturschädigung des Materials des Mantels 13 führen. So unterliegen zum Beispiel bei der Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid die üblicherweise für den Mantel 13 eingesetzten Stähle 1 .4878 oder 1 .4541 bei den bei der Reaktion auftretenden Temperaturen einer Zeitstandsschädigung, die zu einer reduzierten Lebensdauer des gesamten Reaktors 1 führt. Die reduzierte Lebensdauer resultiert dabei aus einer Versprödung mit Abnahme der Festigkeit des Mantels 13. Erfindungsgemäß wird daher im Inneren des Reaktors 1 einen Innenhülle 17 aufgenommen, die mit einem definierten Abstand zum Mantel 13 positioniert ist. Durch die Innenhülle 17 wird somit ein Spalt zwischen Innenhülle 17 und Mantel 13 ausgebildet. Die Innenhülle 17 wird dabei insbesondere an den Positionen angeordnet, in denen im Reaktor Temperaturen auftreten, die oberhalb der Temperatur liegen, die zu einer Zeit- Standsschädigung des Materials des Mantels 13 führen können.
Der Spalt 19 zwischen Mantel 13 und Innenhülle 17 ist mit einem Gas gefüllt. Das Gas wirkt isolierend, so dass die auf den Mantel 13 wirkende Temperatur niedriger ist als ohne Verwendung der Innenhülle 17. Hierdurch kann die Temperatur, die auf den Man- tel 13 wirkt unterhalb der kritischen Temperatur, die zu einer Zeitstandsschädigung führt, gehalten werden.
Die Innenhülle 17 wird dabei vorzugsweise aus dem gleichen Material gefertigt wie der Mantel 13. Das Gas, das in dem Spalt 19 zwischen Mantel 13 und Innenhülle 17 enthalten ist, ist vorzugsweise das dem Reaktor zugeführte Gas. Hierzu ist es zum Beispiel möglich, einen Spalt 21 zwischen einem Zwischenboden 23, durch den die Segmente 3 unterteilt werden und der Innenhülle 17 vorzusehen. Durch den Spalt 21 kann dann Gas aus dem Spalt 19 zwischen Innenhülle 17 und Mantel 13 austreten. Auf der entgegengesetzten Seite ist zum Beispiel der Spalt 19 offen zum oberen Gasraum 9. Wenn ein zusätzlicher Boden zwischen oberem Gasraum 9 und Katalysatorbett 7 vorgesehen ist, so ist es bevorzugt, die Innenhülle 17 im Bereich des Katalysatorbettes 7 und dem unteren Gasraum 5 vorzusehen und einen Zulaufspalt zwischen dem das Katalysatorbett 7 zum oberen Gasraum 9 abtrennenden Boden vorzusehen, durch den das Gas in den Spalt 19 zwischen Innenhülle 17 und Mantel 13 eintreten kann. Üblicherweise wird jedoch oberhalb des Katalysatorbettes 7 kein Boden vorgesehen, so dass das Gas unmittelbar aus dem oberen Gasraum 9 in den Spalt 19 zwischen Innenhülle 17 und Mantel 13 eintreten kann.
Wenn kaltes Gas in den Spalt eintritt, so ist es nicht notwendig, die Gasströmung möglichst niedrig zu halten, da dann das Gas selber ebenfalls eine Kühlwirkung aufweist.
Eine Temperaturverteilung ohne Innenhülle ist beispielhaft in Figur 2 dargestellt.
Hierbei ist einmal die Temperatur des Gases im Inneren des Reaktor gezeigt und einmal die Temperatur am Mantel. Der Temperaturverlauf im Inneren ist mit Bezugszeichen 25 bezeichnet und der Temperaturverlauf am Mantel mit Bezugszeichen 27. Auf der x-Achse ist die Position im Segment 3 vom Eintritt des Gases bis zum Austritt dargestellt und auf der y-Achse die Temperatur.
Das Gas wird mit einer Temperatur von 450°C zugeführt, strömt durch den oberen Gasraum 9 bis zum Erreichen des Katalysatorbetts 7. Im Katalysatorbett 7 beginnt die chemische Reaktion, die aufgrund ihrer Exothermie zu einer Temperaturerhöhung führt. Die Temperatur steigt dabei bis auf 630°C an. Das Gas wird mit einer entsprechenden Temperatur aus dem unteren Gasraum 5 entnommen. Im oberen Gasraum 9 des zweiten Segments erfolgt die Gaszufuhr wieder bei einer Temperatur von 450°C und die Temperatur nimmt im Katalysatorbett wieder zu. Aufgrund des im ersten Seg- ment bereits umgesetzten Schwefeldioxids ist die Maximaltemperatur im zweiten Segment niedriger als im ersten Segment und die Temperatur steigt lediglich auf 560°C an.
Aufgrund der hohen Temperatur des Gasstromes erwärmt sich auch das Metall des Mantels. Durch konvektiven Wärmetransport und Wärmeleitung ist die Maximaltemperatur am Mantel jedoch niedriger als die Temperatur im Inneren des Gasstromes. Zu- dem nimmt die Temperatur im Bereich des unteren Gasraumes 5 bis zum Erreichen des oberen Gasraumes 9 eines darunter liegenden Segmentes wieder ab, da der Mantel im Bereich des oberen Gasraumes 9 des nachfolgenden Segmentes gekühlt wird. Dies führt aufgrund von Wärmeleitung zu einer Temperaturabnahme im unteren Gas- räum 5 des darüber liegenden Segmentes 3.
Die aufgrund der Temperatur im Gasstrom auftretende Maximaltemperatur am Mantel liegt jedoch bei einem Stahlmantel bei Einsatz des Reaktors für die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid oberhalb der kritischen Temperatur, ab der eine Zeitstandsschädigung des Stahls auftritt.
In Figur 3 ist beispielhaft der Temperaturverlauf im Gasstrom und im Mantel bei Einsatz einer Innenhülle dargestellt. Der Temperaturverlauf im Gasstrom entspricht dabei dem, der auch ohne Einsatz der Innenhülle auftritt. Durch den Einsatz der Innenhülle 17 ist jedoch die auf den Mantel 13 wirkende Temperatur deutlich niedriger. So liegen in diesem Beispiel die Tempera- turmaxima jeweils im oberen Segment bei ca. 525°C und im unteren Segment bei etwa 500°C. Hiermit bleiben die Temperaturen unterhalb der kritischen Temperatur, bei der sich die Zeitstandsfestigkeit des Stahls, aus dem der Mantel 13 gefertigt ist, reduziert.
Bezugszeichenliste
1 Reaktor
3 Segment
5 unterer Gasraum
7 Katalysatorbett
9 oberer Gasraum
1 1 Boden
13 Mantel
15 Isolierung
17 Innenhülle
19 Spalt
21 Spalt
23 Zwischenboden
25 Temperaturverlauf im Inneren
27 Temperaturverlauf am Mantel

Claims

Patentansprüche
1 . Reaktor zur Durchführung einer exothermen Reaktion in der Gasphase, umfassend einen Behälter mit einem Mantel (13) aus einem metallischen Werkstoff, dadurch gekennzeich- net, dass im Inneren des Reaktors (1 ) eine Innenhülle (17) aufgenommen ist, wobei die
Innenhülle (17) einen Abstand von mindestens 50 mm zur Innenseite des Mantels (13) aufweist.
2. Reaktor gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhülle (17) aus dem gleichen Material gefertigt ist wie der Mantel (13).
3. Reaktor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Innenhülle (17) und dem Boden und/oder Deckel des Reaktors (1 ) ein Spalt (19) ausgebildet ist.
4. Reaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktor (1 ) mindestens ein Boden aufgenommen ist.
5. Reaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktor (1 ) ein Katalysatorbett (7) ausgebildet ist.
6. Reaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1 ) in mehrere Segmente (3) unterteilt ist, wobei jedes Segment (3) mindestens einen Zulauf und mindestens einen Ablauf aufweist, und jedes Segment (3) ein Katalysatorbett (7) und einen Gasraum (9) oberhalb des Katalysatorbetts enthält.
7. Reaktor gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorbett (7) einen heterogenen Katalysator enthält.
8. Reaktor gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zur Untertei- lung von zwei Segmenten (3) ein Zwischenboden (23) im Reaktor (1 ) aufgenommen ist.
9. Verwendung des Reaktors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Durchführung einer exothermen Reaktion in der Gasphase, wobei die Reaktion bei einer Temperatur von mehr als 300°C durchgeführt wird.
10. Verwendung des Reaktors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Durchführung einer Reaktion zur Umsetzung von Schwefeldioxid mit Sauerstoff zu SO3.
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