JP4149910B2 - 接触管束反応器に熱交換剤を輸送するためのポンプ - Google Patents

Description

本発明は、接触管束反応器に熱交換剤を輸送するためのポンプに関する。

接触管束反応器の通常の構造様式は、一般に円筒形の容器内に管束、即ち多数の接触管が通常の垂直方向の配置で取り付けられている円筒形容器からなる。場合によっては担持された触媒が含まれていてよい前記の接触管は、端部が管束の形で密閉されて固定されており、それぞれ上端部または下端部で容器と結合された円蓋部内に開口している。この円蓋部を介して、接触管を貫流する反応混合物は、導入されるかまたは導出される。殊に反応の際に強力な熱発生で熱収支を補償するために、接触管を包囲する空間を通して熱交換剤の循環量は導かれる。

熱交換剤の循環量に関連して、できるだけ全ての接触管を均一に反応の発生に貢献させるために、反応器の全ての水平方向の断面で熱交換剤の十分に均一な温度分布を実現させることは、公知である（例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公告第１６０１１６２号明細書）。例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公告第３４０９１５９号明細書中に記載されているように、多数の外被開口を備えた、それぞれ反応器端部に取り付けられた外側管状導管を介しての熱供給または熱導出は、温度分布の平滑さに使用される。

更に、熱移動の改善は、転向板の取付けによって達成され、この場合この転向板は、交互に反応器の中心部および反応器の縁部で通過量の断面積を自由にする。この種の装置は、殊に自由中心空間を備えた管状に配置された管束に適しており、例えば英国特許第３１０１５７号明細書の記載から公知である。転向板は、接触管の横への初期方向からの流れを導き、その結果、流速および熱移動を上昇させる。

付加的に転向板を備えている、約１０００〜５００００本、殊に約１５０００〜３３０００本の範囲内の接触管の数を有する大型の反応器においては、熱交換剤の圧力損失は、比較的極めて大きい。

好ましくは、この種の反応器の場合には、ポンプ系は、上側の管状導管と下側の管状導管との間に配置され、この場合熱交換剤は、反応器の下部に、例えば管状導管を介して供給される。

塩融液を直接に上側の反応器部または上側の管状導管内にポンプ輸送する場合には、なかんずく費用のかかるポンプの回転軸の密閉、より長いポンプの回転軸、ならびに下方のエンジン軸受け中へのポンプの回転軸を通じての大量の熱搬入のために、工業的に不利で故障の生じやすいポンプ系は、４〜５ｍの要求される輸送高さを必要とするであろう。更に、高く据えられた塩融液用平衡容器は、上記の輸送高さを必要とするであろうが、しかし、安全性の理由から望ましくない。完全なポンプ圧力は、回転軸の密閉に関係することであろう。

熱交換剤を上側の反応器端部で、即ち同様に上側の反応器端部で接触管中に供給される反応混合物との直流で供給することは、周知のように反応の実施にとって好ましい（ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４３１９４９号明細書参照）。

直流での実施は、向流での運転形式と比較して、利点、例えばより高い通過量、より低い触媒ホットスポット温度、接触管中での終結温度の方向への熱交換剤の温度の望ましい上昇、反応器断面に亘っての熱交換剤の良好な温度の均一形成性、即ち水平方向での良好な温度層状化、熱交換剤による再結合を欠くための接触管の空間高さに亘っての明らかな運転状態を有している。

しかし、熱交換剤が例えば直接に上側の管状導管を介して上側の反応器範囲に供給され、例えば直接に管状導管を介して下側の反応器範囲から導出される限り、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４３１９４９号明細書に記載されているように、反応混合物と熱交換剤の直流での実施は、ポンプ系に関連して上記の困難に突き当たる。

ドイツ連邦共和国特許第１９８３６７９２号明細書の記載から、接触管束反応器が熱交換剤の転向のために熱交換剤を供給するための上側の管状導管と下側の管状導管との間の空間を利用することは、公知であり、この場合熱交換剤および反応混合物を直流で導くことの利点は、下側の管状導管への熱交換剤の供給部を備えた有効であることが証明されたポンプ装置と関連していてよい。そのために、円筒形の外被状の中間空間を上側の管状導管内ならびに下側の管状導管内に配置し、これらの管状導管は、前記の中間空間をそれぞれ内側の管状導管と外側の管状導管に分離することが提案された。熱交換剤は、上側の管状導管と下側の管状導管との間の範囲により内側の上側管状導管と結合されている外側の下側管状導管に供給され、ここから公知方法で外被開口を介して接触管を包囲する空間内に導入され、この場合には、転向板により蛇行形の流れが形成される。熱交換剤は、外被開口を介して接触管を包囲する空間を去って下側の反応器部分に入り、下側の内側管状導管に侵入する。この下側の内側管状導管は、再び上側の管状導管と下側の管状導管との間の範囲を介して上側の外側管状導管と結合している。

これとは異なり、本発明の課題は、実際に常用のポンプ装置を用いて、即ち下向きに輸送を有するポンプ装置を用いて熱交換剤を使用するが、この場合には、それにも拘わらず垂直方向に真っ直ぐに立つ接触管束反応器の接触管の間の中間空間内でこの接触管束反応器の上部で行なわれるという問題に対して他の殊に完成技術的に簡単な解決を得ることであった。記載された問題は、簡単な方法で、殊に接触管束反応器それ自体の変化なしに解決されるはずである。

この解決は、接触管の束を備えた反応器に熱交換剤を輸送するための垂直に配置された長手軸線を有するポンプ導管を備え、それぞれ管状導管を介する、接触管の間の反応器内の中間空間内の反応器の上部への熱交換剤の供給部および反応器の下部からの熱交換剤の導出部を有するポンプから出発する。

本発明は、ポンプがポンプ導管を包囲するケーシングを有し、このケーシングの下部に開口を備え、このケーシングの下部を介して反応器の下部からポンプにより取り出される熱交換剤がケーシング内に流れ込み、ケーシングの内壁とポンプ導管の外壁との間の範囲で上向きに流れ、開口（１６）を介してポンプ導管（１３）の上部でポンプ導管（１３）の内部空間内に流れ込み、この内部空間を上方から下向きに貫流し、開口（１７）を介してポンプ導管（１３）の下部で反応器中に流れ込み、接触管（２）の間の反応器内の中間空間の上部に流れ込み、熱交換剤（６）が開口（１７）を介してポンプ導管（１３）の下部でケーシング（１４）の内壁とポンプ導管（１３）の外壁との間の他の中間空間内に流れ込み、この中間空間を下方から上向きに貫流し、開口を介してこの中間空間の上部で反応器中に流れ込み、接触管（２）の間の反応器内の中間空間の上部に流れ込むことによって特徴付けられる。

本発明は、反応器からの熱交換剤の導入または導出の実施形式に関連して制限されていない。これら導入または導出は、有利にそれぞれ管状導管を介して行なうことができる。しかし、別の流れの案内、例えば互いに反応器空間内で対向する接触管なしの空間、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８５７８４２号明細書に記載されたような矩形の断面を有する反応器モジュールと結合した空間も可能である。

１つ以上の転向範囲での好ましい実施態様において、熱交換剤は、ポンプ導管の下部でケーシングの内壁とポンプ導管の外壁との間の他の中間空間内に流れ込み、この中間空間を下方から上向きに貫流し、最終的に開口を介してこの中間空間の上部で反応器中に流れ込み、接触管の間の中間空間の上部に流れ込む。

更に、好ましい実施態様の変法において、ポンプは、熱交換剤が直接に、有利に上側の管状導管を介して、接触管の束を備えた反応器中に輸送され、接触管間の中間空間内に輸送されるようにより高く配置されている。

この実施態様の変法において、好ましくは、反応器の上部からポンプ内への１個以上の排気管が設けられている。多数の排気管が設けられている限り、この排気管は、反応器の円周に亘って、殊に対称的に分割されて配置されており、ポンプへの供給前に捕集管に纏められている。排気管は、例えば接続管として反応器の外被に、僅かな距離をもって上側の管底面の下方に形成されていてよいかまたは反応器の内部空間から反応器の外側に向かって導かれる、管底面それ自体内の穿孔として形成されていてよい。排気管は、有利にポンプケーシングの外壁に沿って、殊にこの外壁に直接隣接して上向きに案内されている。この実施態様は、熱技術的に好ましい。それというのも、この実施態様は、熱交換剤にとって付加的な異質の加熱装置を全く必要としないからである。

排気管は、必要に応じて、ポンプ内の液面よりも下方または上方でポンプ内に開口されているように形成されていてよい。

従って、本発明によれば、ポンプによって輸送される熱交換剤の流れの転向を生じさせるケーシングを備えたポンプが提供される。

本発明によるポンプは、有利に３つ以上の羽根を備えたプロペラを有するプロペラポンプである。

液体の熱交換剤、しばしば塩融液の搬送のため、接触管束反応器からの反応熱の供給のため、または接触管束反応器からの反応熱の導出のためには、軸方向輸送ポンプ、しばしばプロペラポンプが使用される。プロペラポンプは、望ましい液体、当該の熱交換剤、例えば塩融液または熱媒体油を、ポンプ導管内で回転するプロペラにより輸送する。プロペラは、プロペラ導管に対して有利に２〜１００ｍｍの範囲内の間隙を有する。この場合には、ポンプ導管内で上方から下方への液体の輸送が必要とされる。それというのも、さもないと殊に密閉の問題が生じるからである。ポンプ導管は、一般にプロペラを包囲する中空円筒体である。

この場合、ポンプ導管の周囲にはケーシングが設けられており、このケーシングは、ポンプ導管を包囲し、ポンプ導管内の適当な位置に設けられた開口と関連して、ポンプ内での熱交換剤の流れの転向が生じるように形成されている。

このために、ケーシングは、ケーシングの下部に開口を有し、この開口内には、反応器から取り出された熱交換剤が流れ込み、ポンプ導管とケーシングの内壁との間の範囲で上向きに導かれ、ポンプ導管の範囲の開口を介してポンプ導管の内部空間内に流れ込み、この内部空間を通常通りに上方から下方へ貫流し、内部空間の下部の開口を経て内部空間を去り、最終的に反応器の上部で再び反応器に供給される。

ポンプ導管内ならびにケーシング内の開口は、ポンプ導管またはケーシングの全断面積に亘って広がっているのではなく、単にこの全断面積の約２０〜５０％、有利に約３０％に亘って広がっている。この減少された範囲、即ち開口は、適当に補強されることによって安定化されることができる。ポンプ導管内またはケーシング内の開口は、相応する範囲内でポンプ導管またはケーシングが穿孔板によって形成されているかまたはスリットを有しているように実現させることも可能である。

ケーシングは、完成技術的に簡単に矩形の横断面を有するように形成されていてもよいが、しかし、殊により高い圧力負荷に対して円形の断面を有するケーシングを形成させることも可能である。

好ましくは、ケーシングの１つ以上の転向範囲で熱交換剤のために邪魔板が配置されている。

１つの好ましい実施態様の変法において、流れから角運動量を取り出すために、プロペラの下方にはバケットを備えた後方案内装置が配置されている。後方案内装置は、好ましくは貫流された断面積がプロペラの範囲で貫流された断面積に相当するように形成されている。

１つの好ましい実施態様の変法において、ポンプの回転軸の下端部で支承部中で回転する案内プラグが設けられている。それによって、プロペラは、より高い周速で駆動されることができ、プロペラとポンプ導管の内壁との間の間隙幅は、減少させることができ、ポンプは、正確に走行され、保全不要である。それというのも、上部の支承部の負荷は、よりいっそう僅かであるからである。従って、ポンプは、より大きな体積流およびより高い輸送高さを克服することができるからである。ポンプが熱交換剤として塩融液を輸送する場合には、熱交換剤それ自体は、支承部に対して潤滑作用を生じる。支承部は、付加的に炭化タングステン鋼で強化されていてよい。

本発明によるポンプは、発熱反応または吸熱反応を実施するため、殊に酸化反応を実施するための接触管束反応器に熱交換剤の流れを輸送するために特に好適である。

次に、本発明を図面につき詳説する。

図１は、上側の範囲での流入部１６または下側の範囲での流出部１７を有する導管１３を備えたポンプ内での熱交換剤６の転向部と、導管１３を包囲するケーシング１４と、ケーシング１４中に配置された熱交換器１８とを有するポンプ１を示す。熱交換器は、単に例示的に示されており、同様にポンプを熱交換器なしに形成させることも可能である。図１ａ中での断面Ｄ−Ｄは、ケーシング１４の断面で矩形の実施形式を明示している。プロペラ２０の下方には、バケット２２を備えた後方案内装置２１が配置されている。好ましくは、熱交換剤６のための１つ以上の転向部でケーシング１４内には、邪魔板１９が配置されている。

図２は、図２ａの断面Ｅ−Ｅを有する、熱交換剤の流れを転向させるためのポンプ１の他の実施形式の変形を示し、この場合には、図１の描画とは異なり、図２ａの断面図に明示されているように、ケーシング１４は、断面が円形でポンプ導管１３を包囲するように配置されている。

図３は、ポンプの回転軸の下端部で支承部２４中で回転する案内プラグ２３を備えた好ましいポンプの変形を示す。

図４は、プロペラ２０と、熱交換剤６を直接に接触管２の束を備えた反応器の上側の管状導管２５中に輸送する、バケット２２を備えた後方案内装置２１とを有するポンプ１の特に好ましい装置を明示している。参照符号２６は、下側の管状導管を表わし、この下側の管状導管を介して熱交換剤は、ポンプ１によって取り出される。下側の管状導管２６からポンプ１への供給管内には、図示された好ましい実施形式に相応して、熱膨張補正装置２８が組み込まれており、反応器の上部から排気管２７がポンプ１の液面の上方でポンプ１中に案内されている。この装置においても、好ましくは熱交換剤のための転向部中でケーシング１４内に邪魔板は、配置されていてもよい。

図１ａの断面図を有する、ポンプ中で熱交換剤の流れを転向させるための好ましいポンプの変形を示す断面図。

図２ａの断面図を有する、ポンプ中で熱交換剤の流れを転向させるための他の好ましいポンプの実施形式の変形を示す断面図。

ポンプの回転軸の下端部で案内プラグを備えた他のポンプの実施形式の変形を示す断面図。

反応器の上方でのポンプの配置および反応器の上側の管状導管中への熱交換剤の流れの直接の輸送を有する他の好ましい実施形式を示す選択的な断面図。

符号の説明

１ ポンプ、
６ 熱交換剤、
１３ ポンプ導管、
１４ ケーシング、
１５ 開口、
１６ 流入部、
１７ 流出部、
１８ 熱交換器、
１９ 邪魔板、
２０ プロペラ、
２１ 後方案内装置、
２２ バケット、
２５ 上側の管状導管、
２６ 下側の管状導管、
２７ 排気管、
２８ 熱膨張補正装置、
Ｄ−Ｄ 図１ａ中での断面、
Ｅ−Ｅ 図２ａの断面

Claims (13)

1. 接触管（２）の束を備えた反応器に熱交換剤（６）を輸送するための垂直に配置された長手軸線を有するポンプ導管（１３）を備え、それぞれ管状導管（２５、２６）を介する、接触管（２）の間の反応器内の中間空間内の反応器内の上部への熱交換剤（６）の供給部および反応器の下部からの熱交換剤（６）の導出部を有するポンプ（１）において、ポンプ（１）がポンプ導管（１３）を包囲するケーシング（１４）を有し、このケーシング（１４）の下部に開口（１５）を備え、このケーシング（１４）の下部を介して反応器の下部からポンプ（１）により取り出される熱交換剤（６）がケーシング（１４）内に流れ込み、ケーシング（１４）の内壁とポンプ導管（１３）の外壁との間の範囲で上向きに流れ、開口（１６）を介してポンプ導管（１３）の上部でポンプ導管（１３）の内部空間内に流れ込み、この内部空間を上方から下向きに貫流し、開口（１７）を介してポンプ導管（１３）の下部で反応器中に流れ込み、接触管（２）の間の反応器内の中間空間の上部に流れ込み、熱交換剤（６）が開口（１７）を介してポンプ導管（１３）の下部でケーシング（１４）の内壁とポンプ導管（１３）の外壁との間の他の中間空間内に流れ込み、この中間空間を下方から上向きに貫流し、開口を介してこの中間空間の上部で反応器中に流れ込み、接触管（２）の間の反応器内の中間空間の上部に流れ込むことを特徴とする、反応器に熱交換剤（６）を輸送するためのポンプ導管（１３）を備え、反応器内の接触管（２）の束を備えたポンプ（１）。
2. 反応器の下部からポンプ（１）により取り出される熱交換剤（６）が熱交換器（１８）を介して上向きに流れる、請求項１記載のポンプ（１）。
3. ポンプ（１）が熱交換剤（６）を直接に接触管（２）の束を備えた反応器の上部に輸送する、請求項１記載のポンプ（１）。
4. 反応器の上部が上側の管状導管（２５）である、請求項３記載のポンプ（１）。
5. ポンプが３つ以上の羽根を備えた軸方向ポンプである、請求項１から４までのいずれか１項に記載のポンプ（１）。
6. ３つ以上の羽根を備えた軸方向ポンプがプロペラ（２０）を備えたプロペラポンプである、請求項５記載のポンプ（１）。
7. ケーシング（１４）が矩形の断面を有するように形成されている、請求項１から６までのいずれか１項に記載のポンプ（１）。
8. ケーシング（１４）が円形の断面を有するように形成されている、請求項１から７までのいずれか１項に記載のポンプ（１）。
9. １つ以上の転向範囲で熱交換剤（６）のためにケーシング（１４）内で邪魔板（１９）が配置されている、請求項１から８までのいずれか１項に記載のポンプ（１）。
10. ポンプ導管（１３）内でプロペラ（２０）の下方でバケット（２２）を備えた後方案内装置（２１）が配置されている、請求項１から９までのいずれか１項に記載のポンプ（１）。
11. ポンプの回転軸の下端部で支承部（２４）中で回転する案内プラグ（２３）が配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のポンプ（１）。
12. 発熱反応または吸熱反応を実施するために使用する、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のポンプ（１）。
13. 酸化反応を実施するために使用する、請求項１２記載のポンプ（１）。

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