NL8002943A

NL8002943A - Inrichting voor het uitvoeren van katalytische exotherme en endotherme hogedrukgasreacties alsmede werkwijze voor het tot stand brengen van dergelijke reacties.

Info

Publication number: NL8002943A
Application number: NL8002943A
Authority: NL
Original assignee: Lummus Co
Priority date: 1979-05-22
Filing date: 1980-05-21
Publication date: 1980-11-25
Also published as: CA1121987A; AU532977B2; AU5861780A; IN154372B; GB2053017B; IT8022203A0; JPS562841A; IT8022202A0; DE3019625A1; US4341737A; IT1140966B; GB2053017A; FR2457124A1

Description

·► 1

Inrichting voor het uitvoeren van katalytische exotherme en endotherme hogedrukgasreacties alsmede werkwijze voor het tot stand brengen van dergeli.jke reacties.

De uitvinding heeft betrekking op een verbeterde onder hoge-druk werkende katalytische inrichting voor het tot stand brengen van exotherme of endotherme gasreacties daarin, zodanig dat maximale gastemperaturen altijd in de kern van de inrichting aanwezig 5 zijn en minimale drukvalomstandigheden en aanzienlijke besparingen kunnen worden bereikt, met als gevolg verlenging van de levensduur van de katalysator en aanzienlijke daling van de kapitaalkosten van dergelijke inrichtingen.

Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een 10 verbeterde onder hogedruk werkende katalytische inrichting welke een enkelwandig drukvat bevat dat met dwarsstroming, zoals bijvoorwerkende beeld radiale stroming, warmte-uitwisselaars bevat, een onondebroken bed van uit deeltjes bestaande katalysator dat ten minste twee trappen bezit, middelen voor het tot stand brengen van "elkaar kruisende" 15 materiaalstromen zodat, voor exotherme reacties, materiaalstromen radiaal naar binnen zijn gericht vanaf de "buitenzijde" naar de "binnenzijde", terwijl voor endotherme reacties materiaalstromen naar buiten zijn gericht vanaf de "binnenzijde" naar de "buitenzijde".

Tot nu toe zijn met hogedruk werkende katalytische reactoren 20 of omzetters toegepast voor het tot stand brengen van de gassyntheses van waardevolle materialen zoals ammoniak, methanol, blauwzuur, waterstof, methaan en styreen. Kenmerkend voor dergelijke inrichtingen was dat dergelijke inrichtingen zodanig moeten worden geconstrueerd dat deze zeer hoge drukken en temperaturen, die met 25 dergelijke syntheses gepaard gaan, konden weerstaan, welke drukken variëren van bijvoorbeeld tussen 845*720 kg/m tot 7051000 kg/m . Dientengevolge moesten, om de vereiste commerciële produktiehoeveel-heden te kunnen te bereiken, bijvoorbeeld katalytische omzetters met een capaciteit van 1000 ton ammoniak per dag, dubbelwandige re-50 actorvaten met enorme afmetingen worden togepast, zoals beschreven in het .Amerikaanse octrooischrift 5.5^7.404· De kosten en moeilijkheden voor het vervaardigen van dergelijke omzetters waren echter dienovereenkomstig enorm. Bovendien had men ook problemen met betrekking tot de afmeting van de uitrusting, omdat voor het handhaven 55 van ruimte en lineaire snelheidsomstandigheden bij redelijke drukvallen, omzetters van onwaarschijnlijk grote diameters met het oog

o n fi 0 0 L T

✓ 2 op him hoge bedrijfsdrukken, nodig zijn, Yerder is het bekend dat, bij een bepaalde bedrijfsdruk en temperatuur, de wanden van het vat dikker moeten zijn naarmate de diameter van het vat groter is. Omdat de constructiematerialen van het vat ook worden beïnvloed 5 door de temperatuur alsmede door de partiële druk van waterstof, is de reden voor het gebruik van de gebruikelijke dubbelwandige vaten in het verleden duidelijk geweest.

Op dit terrein is men dientengevolge3ang bezig geweest met het probleem om reactors en convertors met grote produktie te ver-10 schaffen, welke geschikt zijn voor reacties op grote schaal, binnen de grenzen van acceptabele ontwerpkriteria en welke stromingspatronen bezitten van reactiecomponenten die zichzelf lenen voor verhoogde produktie via vergrote lengte van de reactor of omzetter in plaats van via een vergroting van de diameter van een dergelijke 15 reactor of omzetter.

Bit heeft ook problemen gegeven tengevolge van het feit dat, om te voldoen aan de verhoogde produktie-eisen, grote reactors of omzetters in de orde van, grootte van 12 - 15 m hoogte nodig zijn. Omdat in dergelijke reactors of omzetters een of meer bedden uit 20 katalytisch contactmateriaal verticaal moeten worden geplaatst, konden een optimale ruimte en lineaire snelheidsomstandigheden zonder ontoelaatbare drukvallen niet worden bereikt, en verschillende middelen zijn gezocht om dit probleem op te lossen.

Eén zo’n oplossing is voorgesteld in het Amerikaanse octrooi-25 schrift 5 *5^7 *404> waarbij gebruik gemaakt wordt van de gebruikelijke dubbelwandige reactor, waarbij de reagerende gassen kunnen stromen in een richting loodrecht op de lengte-as van de buitenmantel van de binnenste reactiezone en dwars over een of meer in serie geplaatste bedden van katalysator, zodat de gassen stromen het 50 van het ene bed naar‘Volgende bed via een kanaal daartussen,waarby de stromingsrichting van de gassen door dit' kanaal in hoofdzaak tegengesteld is aan hun stromingsrichting door het katalysatorbed.

Het op deze wijze tot stand brengen van de stroming vergemakkelijkt aanzienlijk de wijze waarop de reactie wordt geleid en staat op 55 ruime schaal wijziging van gewenste variabelen toe. Boor de stroom van reactiecomponent bijvoorbeeld over één bed naar beneden te laten stromen en naar boven te laten stromen door een aangrenzend bed, heeft dit stromingspatroon tot gevolg dat de omzetter kan worden verkort door weglating van de kanalen tussen de bedden. Berge-40 lijke stromingswerkwijzen en -patronen zijn echter niet succesvol 800 2 9 43 * < 3 geweest omdat zij niet konden voldoen aan de temperatuureisen die verband houden met optimale opbrengsten en maximale onderdrukking van nevenreacties, niettegenstaande het gebruik van warmte-uitwisselingsmiddelen die zijn aangebracht om dergelijke stromings-5 werkwijzen en -patronen aan te passen. Bovendien bezitten deze stromingspatronen een verhoogde stromingsweerstand, hetgeen leidt tot verhoogde drukvallen en een aanzienlijk kleinere circulatie-snelheid door de reactor bij een bepaalde hoeveelheid katalysator.

Be oplossing van het probleem bij deze soort van stroming is ge-10 zocht in de toepassing van radiale stromingsmiddelen zoals voorgesteld door (1) Amerikaans octrooischrift 3.372.988» dat is gebaseerd op de gedachte van "middelen voor het laten doorgaan van een synthetisch gas door de katalysatorlichamen achtereenvolgens in tegengestelde radiale richtingen"; en door (2) een verbeterde versie 15 van radiale stroming in het Amerikaanse octrooischrift 3*472.631 waarbij men de reactiegassen door elke opeenvolgende laag van ka-talysatorbed min of meer horizontaal in tegengestelde richting ten opzichte van de stroming door de voorafgaande laag van katalysator laat stromen en rondom warmte-uitwisselingsbuizen bij keerpunten in 20 tegenstroom met de verse reactiegassen.

Bovendien is het concept bestaande uit het circuleren van toe-voergas door buizen geplaatst in het katalysatorbed voor koel-doeleinden, voordat het toevoergas feitelijk in aanraking komt met de katalysator, weergegeven in de Amerikaanse octrooischriften nos.

25 2.853.371, 3.041.161, 3.Ο5Ο.377 en 3*212.862. Een andere benadering voor deze wijze van afkoelen was die waarbij gebruik werd gemaakt van plotselinge afkoeling en omzetters van de soort met plotselinge afkoeling zoals weergegeven in de Amerikaanse octrooischriften nos. 2.495.262, 2.632.692, 2.646.391, 3.566.461, 3.396.685, 3.433.6ΟΟ, 30 3.443.910, 3.458.289, 3.475.136, 3.475.137, 3.498.752 en 3.663.179.

In de bekende omzetters van de soort met plotselinge afkoeling, wordt de afkoelvloeistof in hoofdzaak aan de hoofdstroom van een reactiecomponent toegevoegd tussen afzonderlijke bedden bestaande uit vaste katalysatorkorrels, bolletjes of dergelijke. Be inrichting 35 met plotselinge afkoeling bezit echter de nadelen bestaande uit een grote drukval en hoge kosten en het feit dat deze vrij ingewikkeld is.

Tot nu toe is echter geen van de bekende katalytische inrichtingen werkend met hoge druk voor het uitvoeren van reacties in de 40 gasfase geschikt geweest voor zowel exotherme als endotherme reacties; 800 2 9 43 4 geen van de bekende inrichtingen is een enkelwandige inrichting welke geschikt is voor radiale stromingspatronen van het materiaal in combinatie met met dwarsstroming werkende warmte-uitwisselaars; en in geen van deze inrichtingen kon met succes een maximale gas-5 temperatuur in de kern van de inrichting worden gehandhaafd met minimale drukvalomstandigheden binnen de grenzen van accepteerbare ontwerpkriteria en accepteerbare stromingspatronen van reacties.

In het bijzonder en het meest in het oog springend is het feit dat men bij de bekende inrichtingen niet gedacht heeft aan het gebruik 10 van warmte-uitwisselaars met dwarsstroming, bijvoorbeeld radiale stroming (laat staan aan het gebruik daarvan met enkelvoudige reactors), waardoor de stromingsrichting zodanig kan worden ingesteld dat gasuitzetting of -inkrimping overeenkomt met de uitzetting of inkrimping van de dwarsdoorsnede van de katalysator.

15 De onderhavige uitvinding is ontwikkeld om deze leemte aan te vullen, en volgens de uitvinding wordt dit bereikt via een nieuw concept van een ontwerp van een inrichting waardoor een enkelwandige reactor of enkelwandig reactorsysteem kan worden gebruikt met meerdere reactietrappen, waarbij een radiale stroming van reactie-20 bestanddelen wordt ontwikkeld volgens een ••kruiselings" ("cross-over") patroon, zodat materiaalstromen worden gericht vanaf de "buitenzijde" naar de "binnenzijde" voor exotherme reacties en omgekeerd voor endotherme reacties. Toor exotherme reacties verschaft de inrichting volgens de uitvinding een warmteoverdrachtstrap 25 met dwarsstroming voor elke reactietrap. Toor endotherme reacties echter bevindt de eerste waxmteoverdrachtstrap zich buiten het systeem (deze kan bijvoorbeeld buiten de reactor liggen), en daardoor is er voor endotherme reacties een warmteoverdrachtstrap minder dan reactortrappen.

30 Tolgens de uitvinding wordt een hogedrukinrichting verschaft voor het uitvoeren van of katalytische exotherme of katalytische endotherme reacties in de gasfase, welke inrichting een enkele of enkelvoudige cLruk-insluitingsvat of mantel bevat voor het besturen van dergelijke reacties daarin in meerdere trappen, waarbij een 35 dergelijk drukvat of dergelijke mantel een of meer met dwarsstroming (bijvoorbeeld radiale stroming) werkende warmteuitwisselaars bevat en een ononderbroken katalysatorbed met een aantal trappen (ten minste twee), met een met dwarsstroom werkende warmteoverdrachtstrap na elke reactietrap voor exotherme reacties en een met dwars-40 stroom werkende overdrachtstrap minder dan er reactietrappen zijn 800 2 9 43 ♦ 1 5 voor endotherme reacties, waarbij deze trappen zodanig zijn ingericht dat "elkaar kruisende" materiaalstromen worden verschaft in een ononderbroken, in één richting lopende stromingsbaan door verschillende katalysator- en warmteuitwisselingstrappen, waarbij 5 een dergelijke in één richting lopende stromingsbaan zich uitstrekt vanaf de "buitenzijde" naar de "binnenzijde", voor exotherme reacties en omgekeerd voor endotherme reacties, waarbij op effectieve wijze de hoogste gastemperatuur in de kern van de inrichting wordt gehandhaafd in plaats van aan de buitenzijde of druk-insluitende 10 wanden daarvan en ook de drukval tot een minimum wordt beperkt.

De uitvinding zal thans nader worden uiteengezet aan de hand van de tekeningen waarin bij wijze van voorbeeld enige uitvoeringsvormen van de inrichting volgens de uitvinding zijn weergegeven.

Fig. 1 geeft een schematisch blokstromingsdiagram weer, waarby 15 bet instromingspatroon van een kenmerkend tweetraps, exotherm reactiesysteem is weergegeven dat kan worden toegepast bij de synthese van ammoniak, methanol en methaan.

Fig. 2 geeft een dwarsdoorsnede weer van de hogedrukinrichting volgens de uitvinding, waarbij het ononderbroken bed van uit deel-20 tjes bestaande katalysator is weergegeven in de vorm van gestapelde trappen, en waarin ook de verschillende binnenstromende toevoer-stromen en afvoerstromen van niet gereageerde reactiecomponent/ reactieprodukt zijn weergegeven.

Fig. 3 geeft een gewijzigde uitvoeringsvorm weer van de in-25 richting volgens fig. 2 en geeft een dwarsdoorsnede weer van de hogedrukinrichting volgens de uitvinding waarin het ononderbroken bed van deeltjesvormig katalysator is weergegeven in de vorm van concentrische trappen, terwijl ook de verschillende stromen van de toevoerstromen en afvoerstromen van niet gereageerd reactiecompo-30 nent/reactieprodukten zijn weergegeven.

Fig. 4 en 5 geven de afvoerstroompatronen weer van een kenmerkend drietraps endothermisch afvoerstroomsysteem, waarbij in fig. 4 een blokstromingsdiagram is weergegeven en in fig. 5 een dwarsdoorsnede van de hogedrukinrichting volgens de uitvinding 35 waarin het bed uit deeltjesvormig katalysator (weergegeven in de vorm van gestapelde trappen) en de verschillende afvoerstromen van niet gereageerd reactiecomponent/reactieprodukt ook zijn weergegeven.

Voor beide endothermische systemen is er een warmteoverdrachtstrap minder aanwezig dan er reactietrappen zijn.

40 Fig. 6 en 7 geven de afvoerstroompatronen weer van een ken- 800 2 9 43 6 merkend viertraps exotherm stroomsysteem, waarbij in fig. 6 een blokstromingsdiagram daarvan reergeeft en fig. 7 een dwarsdoorsnede van de hogedrukinrichting waarin het bed van deeltjesvormige katalysator is weergegeven in de vorm van cf .gestapelde of concentrische 5 trappen, terwijl ook de verschillende afvoerstromen van niet gereageerd reactiebestanddeel/reactieprodukt zijn weergegeven.

Fig. 8 geeft een vereenvoudigde lengtedoorsnede weer van een tweetrapsomzetter die volgens de uitvinding kan worden toegepast voor de synthese van ammoniak. Fig. 9 geeft een dwarsdoorsnede weer 10 van de ammoniakomzetter weergegeven in fig. 8 volgens de lijn A-A. Fig. 10 geeft een dwarsdoorsnede weer van de ammoniakomzetter weergegeven in fig. 8, volgens de lijn B-B, op de plaats tussen de trappen waar kruising van de stromen plaatsvindt. Tenslotte geeft fig. 11 een schematische stromingsdiagram weer, waarvan het tempera-15 tuurprofiel hierna nader zal worden besproken, van een kenmerkende ' ammoniaksynthese welke wordt bestuurd in de katalytische reactor of omzetter volgens de uitvinding.

Verwijzend naar fig. 1 - 3 is een koude toevoerstroom van stromend medium 1, dat, bij een voorkeursuitvoeringsvorm, kenmerkend 20 kan bestaan uit een gas voor de synthese van ammoniak of methanol, verdeeld in een aantal stromen, waarvan er twee (2,3) bestaan uit hoofdtoevoer-stromen en twee (4,5) uit nevenstromen. Be hoofdtoevoer-stromen 2 en 3 worden eerst respectievelijk geleid door de buiszijde van warmteuitwisselaars 6 en 7, waar zij respectievelijk verhitte 25 stromen 8 en 9 worden die dan worden verenigd tot één verhitte hoofdstroom 10 welke wordt geleid in de eerste reactietrap 11 van een verticaal geplaatst reactie- of omzettingsvat en in reactie gebracht onder de vereiste reactie-omstandigheden, die op zichzelf bekend zijn. Vanuit de eerste trap 11 van de reactor wordt een af-30 voerstroom 12 geleid door de mantelzijde van de warmteuitwisselaar 7 waar de reactiewarmte daarvan wordt uitgewisseld met de koude hoofd-toevoerstroom 3.

Be afgekoelde afvoerstroom 13 wordt dan geleid in de tweede trap 14 van de reactor, daar verder in reactie gebracht, terwijl de 35 daaruit ontstane afvoerstroom 15 wordt geleid door de mantelzijde van de warmteuitwisselaar 6, waar de warmte van de reactiestroom 15 wordt uitgewisseld met de koude hoofdtoevoerstroom 2. Be verkregen afgekoelde afvoerstroom 16 wordt uit de reactor afgevoerd voor het in stroomafwaartse richting verder verwerken daarvan.

40 Opgemerkt wordt dat bij de fig. 1 tot en met 3 (1) de stromings- 800 2 9 43 7 < 4 4 richting radiaal naar binnen is gericht, waardoor de koudste gassen in dit exotherme systeem naar buiten worden gedrukt en (2) temperatuurregeling wordt bereikt door de koude toevoerstromen 1, 2 of 3 te leiden in stromen 10 en 13· 5 he in fig. 1 schematisch weergegeven in één richting lopende stroompatronen kunnen misschien beter zichtbaar worden gemaakt met behulp van fig. 2 en 3> waarin de loop van een koude toevoerstroom naar en vanuit de twee reactortrappen en via de warmte-uitwisselaars zijn weergegeven.

10 Op dezelfde wijze kunnen aan de hand van fig. 4 tot en met 7 de in één richting lopende radiale stroompatronen van de voedings-stroom.vaa fluïdum en de ingaande en uitgaande stromen door de verschillende reactor- en/of warmte-uitwisselingstrappen van uitlopend fluïdum worden gezien in fig. 4 tot en met 7 tezamen met andere 15 uitvoeringsvormen binnen het kader van de uitvinding zoals bijvoorbeeld het gebruik van concentrische trappen, een driebraps endotherm systeem (met bijzondere nadruk op afvoerstromen); een viertraps exotherm systeem enzovoorts waarin de eerste twee trappen dezelfde zijn als hiervoor beschreven aan de hand van fig. 1 tot en met 3 en 20 de derde en vierde trappen van de reactor .zijn aangeduid met 17 en 25; de verschillende uitgaande stromen in de reactor zijn aangegeven met 18, 20, 22 en 26; de verschillende na warmte-uitwisseling (afgekoelde) verkregen afvoerstromen in de reactor zijn aangeduid met 19, 21, 24 en 28; en de derde traps- en vierde traps-warmte-25 uitwisselaars zijn respectievelijk aangeduid met 23 en 27·

In. fig. 8 is een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding weergegeven, welke betrekking heeft op een tweetrapsomzetter voor de synthese van ammoniak. De verschillende stromen zijn dezelfde als hiervoor beschreven aan de hand van de 5° fig. 1 tot en met 7» in het bijzonder fig. 1 tot en met 3.

Een koude voedingsstroom 1 van fluïdum, kenmerkend^voo?aSe synthese van ammoniak, wordt verdeeld in een aantal stromen bestaande uit twee hoofdstromen 2 en 3> waarvan elk wordt geleid door een lagedruk-differentieel-diffusor en vervolgens door de buiszijde van 35 met dwarsstroming werkende warmte-uitwisselaars 6 en 7> waar zij respectievelijk verhitte stromen 8 en 9 worden die dan worden verenigd tot een verhitte hoofdstroom 10 welke wordt geleid in de eerste trap 11 (bestaande uit een bed van gebruikelijke, actieve, uit deeltjes bestaande katalysator) van een verticaal geplaatst 40 reactie- of omzettingsvat en in reactie gebracht onder de vereiste, ‘ 8 gebruikelijke reactie-omstandigheden. Yanuit de eerste trap 11 van de reactor wordteen uitgaande stroom 12 geleid door de mantelzijde van de warmte-uitwisselaar 7, waar de reactiewarmte daarvan wordt uitgewisseld met de koude voedingshoofdstroom 3· 5 De afgekoelde uitgaande stroom 13 wordt geleid in de tweede trap 14 van de reactor, verder in reactie gebracht, waarbij de daaruit verkregen uitgaande stroom 15 wordt geleid door de mantel-zijde van de warmte-uitwisselaar 6, waar de reactiewarmte van de uitgaande stroom 15 wordt uitgewisseld met de koude hoofdvoedings-10 stroom 2. De verkregen afgekoelde afvoerstroom 16 wordt uit de reactor afgevoerd voor het in stroomafwaartse richting verder behandelen daarvan.

Bij voorkeur bevatten depeactietrappen geperforeerde platen en schermen 30 voor het vergemakkelijken van het vasthouden van de 15 katalysator alsmede voor het doorlaten van gasvormig reactie-bestanddeel en de produktstromen in en door de katalysatorbedden. Yerder verdient het de voorkeur om de ringvormige katalysator-houders 31 ook te perforeren om drukverschillen tot een minimum terug te brengen en stromingsgradiënten te vermijden.

20 In fig. 9 is een bovenaanzicht weergegeven van het inwendige van de reactor, waarbij in het bijzonder de met dwarsstroming werkende uitwisselaar 7, het bed van actief katalysator van de eerste reactortrap 11, de produktafvoerstroom 15 van de tweede reactietrap, de uiteindelijke stroom 16 van afgekoeld produkt, en de katalysator-25 vasthoudende cilinder zijn weergegeven.

In fig. 10 zijn de verhitte voedingsstromen 8 en 9 van reactie- component voor de eerste reactietrap en de uitlaatpatronen voor de tussen de trappenkruising van de uit de eerste reactietrap komende afgekoelde produktafvoerstroom 13 weergegeven.

30 Tenslotte is in fig. 11 een schematisch stromingsdiagram weer gegeven voor een gebruikelijk tweetraps, exotherm reactiesysteem voor de synthese van ammoniak, waarbij aan de hand van dit diagram een kenmerkend temperatuurprofiel van de verschillende stromen van reactiebestanddeel of produkt hierna wordt besproken. Zoals weer-35 gegeven in fig. 11 wordt bijvoorbeeld de koude voedingsstroom 1 van fluidum verdeeld in twee hoofdstromen 2 en 3· Yoedingsstromen 1, 2 en 3 bevinden zich op een temperatuur van ongeveer 176°C. De stroom van het andere deel 3 van de voedingsstroom 1, geregeld door een klep, bereikt na doorgang door de warmte-uitwisselaar 7> een tem-40 peratuur van ongeveer 416°C en is aangegeven als stroom 9· Stromen 800 2 9 43 < « 9 8 en 9 die zich heide op een temperatuur van 416°C bevinden, worden verenigd tot een gecombineerde stroom 10 die zich op een temperatuur van ongeveer 416°C bevindt en gevoerd in een bed 11 van actieve stoom katalysator. De uit het bed komende y12 bevindt zich op een tempera-5 tuur van ongeveer 530°C. Afvoerstroom 12, komt, nadat deze door de warmte-uitwisselaar 7 is geleid, als stroom 15 te voorschijn met een temperatuur van ongeveer 408°C en stroomt in de volgende reactietrap, het bed 14 van actieve katalysator, vanwaaruit de afvoerstroom 15 te voorschijn komt met een temperatuur van ongeveer 10 491°C.

Een temperatuurprofiel, zoals hier boven voor fig. 11 besproken en dat kenmerkend is voor een 1500 MTD ammoniakomzetter, zoals weergegeven in fig. 8, is weergegeven in dèhieraa volgende tabel A, tezamen met de stroomsnelheden (gedefinieerd volgens de norm ACES 15 klassificatie). De stromen zijn in tabel A weergegeven met dezelfde verwijzingscijfers als weergegeven in fig. 8.

TABEL A

Stroom nummer Temperatuur, °C Stroomsnelheid (ACES) 1 176°C 46,5 20 2 176°C 20,8 5 176°C 25,7 8 416°C 51,2 9 416°C 58,6 10 416°C 69,8 25 12 530°C 75,5 15 408°c 65,8 15 491°C 67,1 16 590°C 58,4 50 In vele hogedruk katalytische omzetters of reactors, en in alle uitvoeringen voor het bereiden van ammoniak en methanol daarvan, is er een probleem met betrekking tot in bedwang houden van de druk, welk probleem, onder de gebruikelijke omstandigheden, ernstiger wordt door veranderingen in stroomrichting waardoor de . 55 grootte van de drukval toeneemt. Een groot deel van het probleem van het in bedwang houden van de druk komt voort uit het feit dat de gebruikelijke toegevoerde materialen de reactor betrekkelijk koud binnenkomen en deze in betrekkelijk hete toestand verlaten.

Bij de gebruikelijke synthese van ammoniak bijvoorbeeld wordt het 40 synthesemateriaal in de reactor geleid bij betrekkelijk lage tem- ann o ο αχ peratuur van ongeveer 416°C terwijl de afvoerstroom van produkt de reactor verlaat bij een betrekkelijk hoge temperatuur van ongeveer 527°C. Met de onderhavige uitvinding behoeven de buitenste of de druk in bedwang houdende wanden slechts de dikte te bezitten van 5 een enkele wand omdat, door toepassing van in één richting lopende stromingspatronen van het materiaal en toepassing van een systeem van met dwarsstroom (bijvoorbeeld radiale stroom) werkende warmte-uitwisselaars gecombineerd met het overeenkomstige systeem van re-actietrappen voor het bevorderen van dergelijke stromingspatronen, 10 de koudste en laagst mogelijke temperaturen in de reactor zich bevinden bij de buitenste of de druk in bedwang houdende wand.

In de normale industriële praktijk bereikt het aantal reactie-trappen een economisch optimum zeer snel, bijvoorbeeld in ongeveer twee of drie trappen, tengevolge van de beperkingen in de werkzaam-15 heid van de katalysator, de opbouw van drukval en de daaruit voortvloeiende toename in paardekracht voor het transport van de gassen die door een dergelijk systeem stromen. Yerdere complicaties ontstaan bij het bereiken van de optimale stroming en temperatuurregeling door het hele systeem als het aantal trappen toeneemt.

20 Toepassing van de inrichting volgens de uitvinding bij deze praktische problemen stelt de bedieningsman in staat verhoogde opbrengsten, verhoogde omzettingen, een betere thermische rendement en een verminderde drukval tot stand te brengen.

Yolgens de uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding die 25 het meest de voorkeur verdient, worden met dwarsstroming werkende buisvormige warmte-uitwisse1aars gecombineerd met katalysator bevattende ringen zodat het fluïdum aan de mantelzijde in de warmte-uitwisselaar radiaal stroomt in een richting in hoofdzaak loodrecht op die waarin het uit reactiebestanddeel bestaand fluidum stroomt.

30 pe met radiale stroming werkende warmte-uitwisselaars en de katalysator bevattende ringen zijn echter zodanig gevormd en aangebracht dat afkoelfluidum van de warmte-uitwisselaar en het fluidum dat het mengsel van een niet gereageerd toegevoerd produkt en afgevoerd produkt in de katalysatorbuizen beide een ononderbroken in een 35 richting lopende baan in met elkaar in betrekking staande patronen volgt, waarbij de afvoerstroom van produkt van elke reactietrap wordt afgekoeld in een daaropvolgenderarmte-uitwisselingstrap.

Het verdient in het bijzonder de voorkeur dat voor elke exo-therme reactietrap één ringvormig bed van uit deeltjes bestaande 40 katalysator en één met dwarsstroming werkende warmte-uitwisselaar 800 2 9 43 11 is aangebracht (waarbij een met dwarsstroom werkende warmteoverdracht strap, zoals hiervoor vermeld, minder nodig is voor endotherme reacties), waarbij een dergelijke inrichting kan worden uitgevoerd in een aantal verschillende werkzame uitvoeringsvormen.

5 De warmte-uitwisselaars en reactietrappen kunnen bijvoorbeeld zijde aan zijde in verticaal gestapelde vorm zijn geplaatst, waarbij de reactietrappen dichterbij de de druk in bedwang houdende wand zijn geplaatst. Bij een dergelijke uitvoeringsvorm wordt, zoals weergegeven in fig. 2, welke betrekking heeft op een exotherm systeem, 10 een koele hoofdstroom gevoerd naar de onderste warmte-uitwisselaar en verhit tot reactietemperatuur, dan vanaf de ,,buitenzijde,, geleid in een aantal radiaal stromende stromen naar de "binnenzijde" door zowel de bovenste reactie- als uitwisselingstrappen en dan vanaf de "buitenzijde" naar de "binnenzijde" via de onderste reactie-15 en uitwisselingstrappen.

Bij de uitvoeringsvormen welke de meeste voorkeur verdienen worden de reactiecomponenten radiaal door de verschillende kataly-satorbedden en radiaal door de warmte-uitwisselaars verspreid, terwijl het koelfluidum van de warmte-uitwisselaars loopt door de 20 uitwisselingsbuizen in hoofdzaak loodrecht op de stroom van de reactiebestanddelen.

Be uitvinding zal thans nader worden uiteengezet aan de hand van de volgende voorbeelden, waartoe de uitvinding niet is beperkt. VOOBBEEBD I

25 Bit voorbeeld heeft betrekking op de invloed op de levensduur van een katalysator die fluidumstromen van reactiemateriaal hebben, en vergelijkt de volumeveranderingen van een vat voor een instro-mingspatroon en uitstromingspatroon onder de omstandigheden welke volgens de uitvinding voor de praktijk kan worden toegepast met 30 betrekking tot de synthese van ammoniak via het Haber proces, waarbij wordt gewerkt bij ongeveer 950°P met een koude toevoer bij ongeveer 750°P; bij een reactiedruk van ongeveer 3000 psi, en een partiele waterstofdruk van ongeveer 2300 psi en een volumetrische uitzetting (thermisch en moleculair) van ongeveer 5 - S %.

35 Zoals weergegeven in fig. 2, 8 en 9 is, met betrekking tot voorbeeld I, de binnendiameter van de warmte-uitwisselingsmamtel D.j welke ongeveer 35" bedraagt, de binnendiameter van de katalysator ring Dg welke ongeveer 80” bedraagt en de binnendiameter van de reactor zelf D, welke ongeveer 90" bedraagt.

40 In een ringvormig bed van katalysator zet bij radiale stroming 800 2 9 43 (met een met radiale stroming werkende warmte-uitwisselaar), het volume van het katalysatorvat sneller uit dan de katalysatormassa als de temperatuur van het systeem wordt verhoogd. Yoor een bepaalde thermische cyclus, dat wil zeggen vanaf het tijdstip dat de kataly-5 sator in de katalysatorhouder "bij atmosferische temperatuur is aan-gebracht, wordt de reactor bedreven onder reactie-omstandigheden (waarbij het volume van de houder ten opzichte van dat van de katalysator toeneemt en de katalysator zich fysisch zet), en wordt het systeem afgekoeld tot omgevingstemperatuur (waarbij de houder krimpt 10 en de katalysatormassa samendrukt, waardoor enige katalysatordeel-tjes worden platgedrukt en de katalysatorwerking enigermate wordt verminderd). De verandering in het volume van de houder kan - aannemende dat de omgevingstemperatuur 80°F bedraagt en D.j voor de instroomconstructie bestaat uit roestvrij staal type 304 en 15 voor de uitstroming uit ferritisch staal (2¾ Cr - 1 Mo), Dg bestaat uit ferritisch staal (2¾ Cr - 1 Mo) voor de uitstroomconstructie en uit roestvrij staal type 304 voor de instroomconstructie, en de respectievelijke warmte-uitzettingscoëfficiënten voor type 304 10,2 x 10“6 in/in/0]? bedraagt en voor 2¾ Cr - 1 Mo 7>5 ς 10*"^ in/in/*F 20 bedraagt - worden berekend aan de hand van de formule : Y(omgeving) = (4) (802-352) - 28.225 ft3/?*

Instroomconstructie ïïitstroomconstructie D1=(9 50-80)x10,2x10“6x3 5=0,311" (750-80)x7,5x1Cf6x3 5=0,17 6'" 25 Dg= ( 7 50-80) x7,5x10"*^x80=0,402" (950-80)x10,2x10"6x80=0,710» y(heet)=^4 x (80,4022-35,3112)= ( x(80,7102-35,1762)= 28,458 ft3/ft 28,780 ft3/ft ΔΥ=28,458-28,225=0,233 ft3 %= 28,780-28,225=0,555 ft3 1,9^6% 50 0,233/28,225=0,825%

Yoor dit voorbeeld zou men de gebruikelijke constructie voor de katalytische omzetter voor ammoniak willen nemen als een model waarin de katalysator zou worden geplaatst in een afzonderlijke 35 houder, gewoonlijk aangeduid als een "korf", die concentrisch in een standaard drukvat, die voor ammoniaksynthese wordt gebruikt, zou worden aangebracht, en in welk model de ring tussen de twee vaten het koude voedingsgas zou bevatten, waardoor de mogelijkheid zou worden verkregen voor het zodanig construeren van het drukvat 80 0 2 9 43 13 dat deze zou kunnen worden gebruikt in een niet kritisch tempera-tuurbereik.

Toor axiale stroomreaotors, zou deze mogelijkheid niet aanwezig zijn omdat de katalysatorhouder zou worden blootgesteld aan 5 de maximale gastemperatuur. Deze mogelijkheid zou echter wel aanwezig zijn voor radiale stromingsreaotors zoals die volgens de uitvinding, waarin de bedieningsman de mogelijkheid zou hebben om bij de wand van de katalysatorhouder een temperatuur te bereiken van 416°C via een "instroom" constructie of 527°C via gebruik van een 10 "uitstroom" constructie.

Onder de omstandigheden volgens voorbeeld I toont de volgende berekening aan dat de vatkosten voor het uitstroomsysteem 25 % hoger zouden zijn dan voor het instroomsysteem zelfs als geen rekening wordt gehouden met het feit dat de constructie ingewikkelder is 15 tengevolge van de aanwezigheid van de korf. Deze berekening is gebaseerd op de normale eisen van een constructie volgens ASME Section Till, Division 2 voor een drukvat.

Instroomoonstruotie (gasstroom=750°il) D2=80" D,=90» 5 20 Wand Dikte

Drukvatwand (P=3000 psi, T=750°3?) 6,75" (Perritisch staal = 2\ Cr:1 Mo-A387-CK22C62) wand B 0,375"(min) ïïitstroomconstruotie (gasstroom T=95o°P; =80") 25 D2=90" D,=100» 0

Wand Dikte

Drukvatwand (P=3030 psi, Ί?=350°Ρ) 7,25" (Koolstofstaal - A516-70) 30 Korfwand (uitwendige druk 30 psi, T=950°P) 1,00" (roestvrij staal type 304) wand E 0,375*'(min) 800 2 9 43 Λ

Aannemende dat de relatieve kosten per pound de volgende zijn : Koolstof staal =1,0 2fc Cr-1 Mo = 1,5 Type 304 = 4,0 5 De kosten van A = 7,5 * 6,75 x 1,5 = 238,6

De kosten van B = 6,7 x 0,375* 1,5 = 11«8 250,4

De kosten van C = 8,3 x 7,25 x 1,0 = 189,0 De kosten van D = 7,5 * 1,00 x 4,0 = 94,2 10 De kosten van JS = 6,7 x 0,375 * 4>0 = 51 <6 514,8

De kostenverhouding = 514*8 = 1,25 250,4

Uit voorbeeld II kan gemakkelijk worden gezien dat de uit-15 stroomconstructie een verhoging van vatkosten voor de uitstroom-constructie van 25 % ten opzichte van de instroomconstructie tot gevolg heeft, afgezien van de problemen met betrekking tot de ingewikkeldheid tengevolge van de aanwezigheid van de katalysator-korf.

20 Binnen de kostencontext bezit een dubbelwandig reactievat,· dat wil zeggen een drukvat dat een reactorkort bevat, verscheidene andere beperkingen die een stijging van de kosten en grotere mechanische moeilijkheden met zich meebrengen. Yaak wordt het bijvoorbeeld raadzaam geacht om een zich over de volledige diameter uit-25 strekkend deksel voor het drukvat aan te brengen om het aanbrengen van de korf te vergemakkelijken of om een middel te verkrijgen waardoor het drukvat direct bereikbaar is voor periodieke inspecties. Een dergelijk deksel is zeer kostbaar en moeilijker te verkrijgen bij toenemende diameter van het vat.

30 Bovendien is het, tengevolge van het aanzienlijk verschil in warmte-uitzetting tussen het drukvat en de korf, niet praktisch om toegang vanaf de zijkant in de reactor te verkrijgen; daarom moeten alle verbindingen voor instrumenten en nevenleidingen via de bovenkant van de korf worden ingebracht en door buizen in de vereiste 35 plaatsen in de reactor worden geleid. Het is daarom duidelijk dat geen van de bovengenoemde beperkingen aanwezig is bij een enkelwandig vat; immers, de toegangsopening behoeft alleen maar groot genoeg te zijn om de buisvormige bundels van de warmte-uitwisselaar door te laten; zijdelingse toegang in de enkelwandige reactor is 40 ook eenvoudig en direct.

800 2 9 43

* J

15

Waar in de beschrijving de term "enkelvoudige" of "enkelwandige" druvat of mantel, of "enkelvoudige" of "enkelwandige" inrichting, reactor of omzetter, of de dikte daarvan is gebruikt wordt bedoeld de nomale betekenis van een dergelijke uitdrukking 5 gebruikt op dit terrein van de techniek, zoals bijvoorbeeld gedefinieerd in Section Till Rules for Construction of Pressure Vessels, Division 2 - Alternative Rules, met betrekking tot de ASME Boiler and Pressure Vessel Code, An American Rational Standard (ABSl/ASME BPV-VIII-2), 1977 Edition, July 1, 1977, van de 10 American Society of Mechanical Engineers.

Op dezelfde wijze kunnen de .constructiemetalen van de inrichting volgens de uitvinding met betrekking tot de exotherme of endo-therme reactie-omstandigheden waaronder*Hergelijke inrichting is bedoeld te werken en zoals hierin is gedefinieerd op normale wijze 15 worden vastgesteld, zoals bijvoorbeeld door toepassing van de zoge- t naamde "Relson Chart" van G. A. Helson in "Steels for Hydrogen Service at Elevated Temperatures and Pressures in Petroleum Refineries and Petrochemical Plants" van de American Petroleum Institute, API Publication 941, Second Edition, Juni 1977* 20 Zoals duidelijk zal zijn is de wezenlijke basis van de uit vinding, zoals hiervoor is gesteld of aangeduid, gebaseerd, op het zo goed mogelijk bereiken van een minimale drukval en samendrukking van katalysatordeeltjes, waardoor verhoogde omzettingen, opbrengsten, levensduur van de katalysator en thermisch rendement worden 25 verkregen via de toepassing en ontwikkeling van een in één richting lopend proces of stromingspatronen van afvoerstromen en van een van, systeem*mei dwarsstroming, bijvoorbeeld radiale stroming, werkende warmte-uitwisselaars in combinatie met het overeenkomstige systeem van reactietrappen voor het bevorderen van dergelijke stromingspa-30 tronen zodanig dat voor exotherme reacties het in één richting lopende proces of afvoerstroom in binnenwaartse richting plaatsvindt vanaf de drukvatwanden van de reactor en omgekeerd voor ednotherme reacties. Zoals ook duidelijk zal zijn verschaft de uitvinding de mogelijkheid voor het bereiken van een grote productiecapaciteit 35 binnen een enkelvoudige reactor zonder dat de inrichting ingewikkelder wordt en zonder dat nieuwe technieken voor het lassen of voor het vervaardigen van drukvaten nodig zijn. Dienovereenkomstig zijn belangrijke parameters zoals aard en gebruik of ontwikkeling van katalysatoren, reactiebestanddelen, enzovoort, en algemene 40 procesomstandigheden voor de doeleinden van deze uitvinding van 800 2 9 43 aard normaal, zoals gemakkelijk duidelijk zal zijn voor deskundigen op het terrein van de uitvinding.

80 0 2 9 43

Claims

1. Werkwijze voor het uitvoeren van exotherme katalytische reacties in de gasfase, gekenmerkt door het binnenleiden van een synthese gas in een in hoofdzaak cilindrische reactiezone 5 welke ten minste twee reactietrappen bezit en een verticaal op afstand van elkaar liggende uit deeltjes bestaande katalysator in elk van de trappen, het leiden van het synthese gas door de uit deeltjes bestaande katalysator in elk van de reactietrappen in tegengestelde radiale richtingen, het leiden van de afvoerstroom 10 uit elke reactietrap door een met dwarsstroming werkende warmte-uitwisselaar die werkzaam is verbonden met elke reactietrap, waarbij elke reactietrap een met dwarsstroming werkende warmte-uitwisse-laar bezit, zodat tussen de trappen een warmte-uitwisseling wordt verschaft tussen de toevoerstroom en de afvoerstroom en een ononder-15 broken in een richting lopende baan van de afvoerstroom door opeenvolgende reactie- en warmte-uitwisselingstrappen wordt verschaft ten minste in wezen in een binnenwaartse richting vanaf de drukvat-wanden van de reactiezone en een gas wordt gewonnen welke is verrijkt met het gewenste produkt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat het synthese gas een gas is voor de synthese van ammoniak, methanol, waterstof of methaan.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2,met het kenmerk, dat het synthese gas bestaat uit stikstof en waterstof. 25

4· Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het ken merk, dat het synthese gas bestaat uit koolmonoxide en waterstof.

5. Reactor voor het uitvoeren van exotherme katalytische reacties in de gasfase, met het kenmerk, dat de reactor een drukmantel bevat waarin een bed uit deeltjesvormige kataly-30 sator is ondergebracht dat ten minste twee reactietrappen bezit, middelen voor het leiden van een synthese gas in de mantel en door het bed achtereenvolgens in tegengestelde radiale richtingen, een aantal warmte-uitwisselingsmiddelen, waarbij elk van de warmte-uitwisselingsmiddelen werkzaam is verbonden met elk van de reactie-35 trappen vnr het verschaffen van een warmte-uitwisseling tussen de voedingsstroom en de afvoerstroom tussen de trappen en een in één richting lopende materiaalstroom door de reactie- en warmte-uitwisselingstrappen, waarbij de materiaalstroom ten minste in hoofdzaak naar binnen beweegt vanaf de drukvatwanden van de mantel 40 en middelen voor het onttrekken van een gasprodukt uit de drukmantel. 800 2 9 43 I ö

6. Reactor volgens conclusie 5»met het kenmerk, dat de drukmantel bestaat uit een enkelwandige drukmantel.

7. Reactor volgens conclusie 5 of 6,met het kenmerk, dat ten minste het grootste deel van de warmte-ultwisse- 5 lingsmiddelen bestaat uit met dwarsstroming werkende warmte-uitwisselingsmiddelen.

8. Reactor volgens conclusies 5 - 7» m e t het kenmerk, dat de met dwarsstroming werkende warmte-uitwisselings-middelen een mantelzijde en een buiszijde bezitten in de nabijheid 10 van één einde van het genoemde bed.

9. Reactor volgens conclusies 5-8, met het kenmerk, dat het fluidum aan de mantelzijde in de warmte-uitwisse-lingsmiddelen radiaal stroomt in een richting in hoofdzaak loodrecht op die waarin 'het uit reactiebestanddeel bestaande fluïdum 15 stroomt.

10. Reactor volgens conclusies 5 - 9> i δ t het kenmerk, dat de reactietrappen zijn aangebracht in de vort van een verticale reeks van concentrische trappen.

11. Reactor volgens conclusies 5 - 9» m e t het ken- 20 merk, dat de reactietrappen en de met dwarsstroming werkende warmte-uitwissdingsmiddelen zij aan zij zijn geplaatst in een gestapelde verticale formatie, waarbij de reactietrappen zich dichter bij de drukvatwanden van de genoemde mantel bevinden dan de warmte-ui twi s s elingsmi dde1en.

12. Reactor volgens conclusies 5 - 11» m e t het ken- m e r k,dat het synthese gas bestaat uit een gas voor de synthese van ammoniak, methanol, waterstof, of methaan.

13. Reactor volgens conclusies 5 - 12, m e t het kenmerk, dat het synthese gas bestaat uit waterstof en stikstof. 30

14· Reactor volgens conclusies 5-12,met het ken merk, dat het synthese gas bestaat uit koolmonoxide en waterstof.

15. Werkwijze voor het uitvoeren van endotherme katalytische reacties in de gasfase, gekenmerkt door het binnenleiden van een synthese fluidum in een warmte-uitwisselingsmiddel, het 35 leiden van het verkregen synthese gas in de eerste reactietrap van een in hoofdzaak cilindrische reactizone welke ten minste twee reactietrappen bezit en een verticaal op afstand liggende uit deeltjes bestaande katalysator in elk van de reactietrappen, het leiden van het synthese gas door de uit deeltjes bestaande katalysator in 40 elk van de reactietrappen in tegengestelde radiale richtingen, het 800 2 9 43 leiden van de afvoerstroom uit de eerste reactietrap in ten minste een andere reactietrap, het leiden van de afvoerstroom van elke verdere reactietrap door een met dwarsstroming werkende warmte-uitwisselingstrap die daar werkzaam mee is verbonden, waarbij elke 5 verdere reactietrap een met dwarsstroming werkend warmte-uitwisse-lingsmiddel bezit, voor het verschaffen van een warmte-uitwisseling tussen de toevoer stroom en de afvoerstroom tussen de trappen in en een ononderbroken in één richting lopende baan van de afvoerstroom door de warmte-uitwisselingstrappen en de verdere reactietrappen 10 ten minste in hoofdzaak in buitenwaartse richting naar de drukvat-wanden van de genoemde zone toe, en het winnen van gas welke met het gewenste produkt is verrekt.

16. Werkwijze volgens conclusie 15» m e t het kenmerk, dat het synthese gas bestaat uit een gas voor de synthese 15 van blauwzuur of een styreenmonomeer.

17· Reactor voor het uitvoeren van endotherme katalytische reacties in de gasfase, met het kenmerk, dat de reactor een drukmantel bezit waarin een bed uit deeltjesvormige katalysator is ondergebracht dat ten minste twee reactietrappen 20 bezit, middelen voor het leiden van een synthese fluidum door een warmte-uitwisselingsmiddel in de genoemdemante1 en door een eerste reactietrap van genoemd bed achtereenvolgens in tegengestelde radiale richtingen, ten minste een andere reactietrap en verdere warmte-uitwisselingsmiddelen die zijn verbonden met elk van de 25 genoemde verdere reactietrappen voor het verschaffen van een warmte-uitwisseling tussen de toevoersiroom en de afvoerstroom tussen de trappen in en een in één richting lopende stroom van mteriaal door de genoemde verdere warmte-uitwisselings- en verdere reactietrappen, waarbij de genoemde materiaalstroom ten minste in hoofdzaak in bui-50 tenwaartse richting beweegt naar de drukvatwanden van de genoemde mantel toe en middelen voor het onttrekken van een gasprodukt uit de drukmantel.

18. Reactor volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat de drukmantel bestaat uit een enkelwandige drukmantel. 55

19· Reactor volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat het met dwarsstroming werkend warmte-uitwisséingsmiddel een mantelzijde en een buiszijde heeft in de nabijheid van één einde van het genoemde bed.

20. Reactor volgens conclusie 18 of 19, a e t het ken-40 merk, dat het fluidum aan de mantelzijdein het genoemde warmte- 800 2943 uitwisselingsmiddel radiaal stroomt in een richting in hoofdzaak loodrecht op die waarin het uit reactiebestanddeel bestaand fluïdum stroomt.

21. Reactor volgens conclusies 18- 20,met het k e n-5 merk, dat de reactietrappen zijn aangebracht in de vorm van een verticale reeks van concentrische trappen.

22. Reactor volgens conclusies 18- 20,met het kenmerk, dat de reactietrappen en de met dwarsstroming werkende warmte-uitwisselingsmiddelen zij aan zij in gestapelde verticale 10 formatie zijnjgeplaatst, waarbij de reactietrappen dichter bij de drukvatwanden van de drukmantel liggen dan de warmte-uitwisselingsmiddelen .

23. Reactor volgens conclusies 18- 22,met het kenmerk, dat het synthese gas bestaat uit synthese gas voor blauw- 15 zuur of voor styreenmonomeer. 800 2 9 43