NL8301737A - Katalytische reactor. - Google Patents

Description

\ * 3 VO 4672

Katalytische reactor.

De uitvinding heeft betrekking op een katalytische reactor, omvattend een verticaal, langwerpig en cilindrisch reactievat met inlaten en uitlaten voor rèactiefluïdum en binnen dat vat een warmte-uitwisselaar en twee boven elkaar geplaatste, ringvormige katalysator-5 bedden, die in radiale richting doorstroomd worden, alsmede een warmtewisselaar en verbindingsleidingen.

Een dergelijke reactor is bekend uit het Franse octrooischrift 2.001.518. Dit octrooischrift beschrijft een reactor voor ammoniak-synthese uit stikstof en waterstof bij hoge temperatuur en hoge druk, 10 terwijl twee of meer achtereenvolgens doorlopen katalysatorbedden aanwezig zijn. Bij dergelijke werkwijzen is het van belamg dat het druk-verval over de bedden klein blijft en dat de temperatuurvariaties in de verschillende bedden beperkt blijven zodat verschuiving van het evenwicht in een ongewenste richting wordt vermeden. Dat kan onder andere 15 worden bevorderd door warmteuitwisseling tussen toevoer en gedeeltelijk omgezet gas en zo nodig met andere fluida. Bij de daar beschreven reactor bevinden zich binnen de huls ook enkele katalysatorbedden in de vorm vanjaen holle cilinder, terwijl het om te zetten mengsel met behulp van keerschotten meermalen: van binnen naar buiten en van buiten naar binnen 20 door deze katalysatorlagen wordt gevoerd. Tevens zijn in die reactor en ten dele ook in de katalysatorbedden zelf warmteuitwisselaars aangebracht om de temperatuur zo goed mogelijk te beheersen.

De daar beschreven constructie is echter vrij ingewikkeld en dit leidt tot ernstige moeilijkheden bij het verwisselen van de katalysator, 25 wanneer daarvan de werkzaamheid te ver is verminderd.

Het Franse octrooischrift 1.293.205 beschrijft eveneens een katalytische reactor, bijvoorbeeld voor kraken, reformen of isomeriseren van 'koolwaterstoffen in gasfase. Daarbij is binnen de huls op korte afstand van de buitenwand een geperforeerde wand aangebracht, die de katalysa-30 torruimte begrenst. Centraal in de huls zijn een geperforeerde toevoerbuis en een geperforeerde afvoerbuis in eikaars verlengde aangebracht.

De gassen worden dan vanuit de toevoerbuis radiaal door de katalysator gevoerd naar de ringvormige buitenruimte en vandaar uit stromen zij door het onderste gedeelte van de katalysator naar de afvoerbuis. Een 55 warmtewisselaar is bij een dergelijke werkwijze veelal niet nodig en 8301737 A * -2- die is ook niet beschreven. Bij een variant van die reactor is aangegeven, dat de katalysatorruimte door een horizontale metalen wand is verdeeld in een onderste en een bovenste gedeelte. Een dergelijke scheidingswand veroorzaakt echter weer moeilijkheden bij vervangen 5 van de katalysator.

Het Britse octrooischrift 1.140.071 beschrijft een katalytische reactor, die is voorzien van een centraal geplaatste warmteuitwisselaar en van een daaromheen geplaatste ringvormige katalysatorruimte. Deze katalysatorruimte is door radiale wanden verdeeld in twee of meer sec-10 tors, die achtereenvolgens worden doorlopen, terwijl voor het doorlopen van een sector de doorgevoerde gassen in de warmtewisselaar kunnen worden gekoeld of opgewarmd.

Behalve de genoemde constructies van katalytische reactors zijn ook vele variaties daarvan bekend.

15 Een probleem bij al dergelijke reactors is, dat de katalysator- bedden geplaatst zijn binnen de reactorhuls en de toegang daartoe voor het vervangen door verse katalysator zowel moeilijk als duur is, en de buiten-bedrijf-tijd aanzienlijk kan zijn. In vele katalytische systemen wordt een aparte eenheid voor elke trap toegepast. Zo worden voor een 20 tweetraps reactie twee reactoren gebruikt met een tussenliggende warmteuitwisselaar die gebruikt wordt om voeding van de eerste trap voor te verhitten. Indien meer dan een reactiecomponent aanwezig is kan een aparte menger worden toegepast. Voor grote volumesystemen zoals lage druk- of vacuum-fase dehydrogenering, waar de temperaturen zeer hoog 25 zijn geven de verbindingsleidingen grote thermische uitzettingsproble- men, hetgeen leidt tot groot drukverval en buitensporige verblijfstijden. Verder is bekend dat in systemen waar ongewenste nevenreacties plaats kunnen vinden een verblijfstijd buiten het katalysatorbed leidt tot verlaagde opbrengsten van het gewenste produkt en tot toevoerverliezen.

30 Een reactor die ontworpen is voor een gemakkelijker onderhoud wordt beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.475.136. Het grootste gedeelte van de katalysator wordt daarbij door zwaartekracht-stroming verwijderd door valpijpen die met elke mand in verbinding staan, maar het overige gedeelte moet met de hand worden verwijderd.

35 Buizen met dubbele wanden worden geplaatst in het katalysatorbed in de reactor,beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.459.511 waarbij 8301737 * + -3- koelgas geleid wordt door de binnenste buis en toevoergas wordt verspreid door openingen in de buitenste buis. Er zijn vele octrooischrif-ten die reactoren beschrijven van het integrale warmteuitwisselingstype naast de zojuist genoemde. In het Amerikaanse octrooischrift 3.472.631 5 wordt een horizontale rèactantstroming beschreven door de katalysator-bedden met koelhuizen aan beide zijden.' Een gebruikelijke voorziening bestaat uit een omloopstroom van koude toevoer die gebruikt kan worden om de "hete plekken" in het katalysatorbed onder controle te houden, zoals beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.475.137. Andere 10 kenmerkende integrale warmteuitwisselaarsreactoren worden beschreven in de Amerikaanse octrooischriften 3.366.461 en 3.372.988.

Volgens de uitvinding is een katalytische reactor vein het in de aanhef beschreven type voorzien van een langwerpig, ringvormig katalysatorbed (26), concentrisch met het vat, welk bed is opgesloten tussen 15 een buitenste geperforeerde wand (28) en een binnenste geperforeerde wand (30), welk bed door een of meer pluggen (34) is verdeeld in een eerste trap (20) en een tweede trap (22), waarbij de ruimte binnen de wand (30) door een vullichaam (72) is verdeeld in een eerste (50) en een tweede (48) toevoerkamer, terwijl verder inlaat (10) via de warmte-20 wisselaar (12), een buiten het reactorvat gemonteerde leiding (14) en menger (16) is verbonden met toevoerkamer (50), en buiten de geperforeerde wand (28) kamers (54a, 56B) platen (71) en openingen (68, 70) zijn aangebracht om de fluidumafvoer uit de eerste trap via warmtewisselaar (12) en de tweede toevoerkamer (48) te leiden naar de tweede 25 katalysatortrap (22) en kamers (54B, 56A), platen (71) en openingen (68, 70) om de fluidumafvoer uit de tweede trap naar de uitlaat (24) te leiden.

Figuur 1 illustreert schematisch een tweetraps katalytisch reac-torsysteem met een tussenliggende toevoer-afvoer warmteuitwisselaar en 30 menging voorafgaande aan de reactie. Zoals aangegeven wordt een toe-voerstroom 10 door de kemzijde van een warmteuitwisselaar 12 geleid in warmteuitwisselingsverhouding met de afvoer uit het katalytische bed 20 van de eerste trap die geleid wordt door de buiszijde van de warmteuitwisselaar 12. De voorverhitte toevoer in leiding 14 wordt 35 naar menger 16 gevoerd en gemengd met een tweede toevoer in leiding 18.

De gecombineerde stroom wordt daarna geleid door het katalytische bed van de eerste trap (20), de buiszijde van warmteuitwisselaar 12 en het ,830 1 73 7 -4- * % katalytische bed van de tweede trap (22) respectievelijk. Een produkt-stroom 24 wordt uit het katalysatorbed 22 afgevoerd naar een opwerk-inrichting. Het zal duidelijk zijn, dat wanneer een dergelijk systeem geconstrueerd werd uit individuele eenheden, talrijke verbindingslei-5 dingen vereist zijn met daarmee gepaard gaande thermische uitzettings-problemen, grote drukvervallen en lange verblijfstijden. Zelfs een systeem waarin bijvoorbeeld de menger 16 een geheel vormt met de eerste trap 20, en uitwisselaar 12 een geheel vormt met de tweede trap 22, zouden meerdere uitwendige verbindingen noodzakelijk maken.

10 Figuur 2 illustreert in schematische vorm de algemene opzet en de stromingspatronen voor een tweetrapsreactor R volgens de uitvinding, waarin alle boven weergegeven functies, uitgevoerd worden met een enkel vat, dat duidelijkheidshalve in figuur 2 slechts is gestippeld.

De uitvinding is tenminste gedeeltelijk gebaseerd op het gebruik 15 van een enkel katalysatorbed 26, in de vorm van een cilinder met een buitenste geperforeerde wand 28, een binnenste geperforeerde wand 30 en een katalysator 32 die de ruimte daartussen opvult. Dit bed is verdeeld in een lagere zone die de eerste reactietrap vormt, in het algemeen aangeduid als 20 en een bovenste zone die de tweede reactie-20 trap vormt, in het algemeen aangeduid als 22. De warmteuitwisselaar 12 vormt een geheel met de reactor R en is geplaatst aan het ene einde van het katalysatorbed 26, terwijl menger 16 aan het andere eind daarvan is geplaatst. (Het zal duidelijk zijn dat de reactor ook ondersteboven kan worden ontworpen, maar in fig. 2 is de warmteuitwisselaar 12 geplaatst 25 bij het boveneind). In bedrijf worden de reactiecomponenten in leiding 10 gevoerd en geleid door de kemzijde van de warmteuitwisselaar 12 en vandaar door leiding 14 naar menger 16. Een tweede reactiecomponent kan bij 18 al of niet worden toegevoegd aan de menger 16. Zoals weergegeven door de gestreepte stromingslijnen stromen de reactiecomponenten 30 uit menger 16 in bovenwaartse richting door de ruimte, gedefinieerd door vullichaam 72 en de binnenste wand 30, en radiaal naar buiten door de lagere, eerste reactiezone 20. De reactiecomponenten en de reactiepro-, dukten van de eerste trap worden dan in bovenwaartse richting gevoerd door een ringvormig kanaal naar de top van de reactor waar zij de 35 buiszijde van warmteuitwisselaar 12 binnenkomen. Uit warmteuitwisselaar 12 stromen de reactiecomponenten weer in de ruimte gedefinieerd door vullichaam 72 en de binnenwand 30, maar nu stromen zij in benedenwaartse richting in plaats van opwaartse richting. De reactiecomponenten stromen 8301737 * > -5- in radiale richting naar buiten door de bovenste, tweede trap reactie-zone 22, in een tweede ringvormig. kanaal waarna zij uit de reactor worden verwijderd door uitlaat 24. Het verwisselen van de katalysator 32 vindt plaats door verbruikte katalysator onder invloed van de zwaar-5 tekracht te laten vallen uit de bodem van bed 26 en verse katalysator bovenin toe te voeren. Aangezien volgens de uitvinding slechts een enkel bed 26 wordt toegepast voor beide reactietrappen is het noodzakelijk te zorgen dat de reactiecomponenten in radiale buitenwaartse richting daardoorheen stromen en niet naar beneden of naar boven, hetgeen 10 zou leiden tot het vermengen van eerste en tweede traps reactiecompo-nenten. Dit wordt bewerkt door horizontale pluggen, aangegeven als 34, samen met de katalysator in te voeren zodat periodiek pluggen aanwezig zijn in de kolom en een "neutrale zone" leveren tussen de bovenste en lagere trappen waar de reactanten niet radiaal kunnen binnentreden, en 15 die voldoende lang is om daarin ten alle tijde een plug te hebben. Een vereenvoudigde verticale dwarsdoorsnede van een reactor R volgens de uitvinding wordt geïllustreerd in fig. 5. Een drukvat 36 is zodanig geconstrueerd dat het geschikt is voor het beoogde gebruik van de reactor R. De reactor R is voorzien van een afneembaar deksel 38, een 20 aantal inlaatopeningen 4(1 om de katalysator aan de bovenkant in te voeren en een aantal uitlaatopeningen 42 bij het onderste'einde om de katalysator af te voeren. De opstelling van interne gedeelten is in het algemeen gelijk aan die schematisch weergegeven in figuur 2 en dezelfde verwijzingscijfers zijn toegepast. Men ziet, dat een verschil tussen 25 fig. 2 en fig. 3 is, dat wat in fig. 2 boven is geplaatst, in fig. 3 juist onder zit, met uitzondering natuurlijk van de tussen- en afvoer-openingen voor de katalysator. In het bijzonder is de warmteuitwisselaar 12 van een algemene constructie, waarbij de kemzijde daarvan in verbinding staat met de inlaatleidingen 10 en aan het boveneinde met een lei-30 ding 14. De leiding 14 heeft een lengte die bijna gelijk is aan de totale lengte van de reactor en is buiten het reactorvat gemonteerd. Het boveneinde van leiding 14 staat in verbinding met een mengzone 16, waar ook een toevoerleiding 18 voor een tweede reactiecomponent uitkomt. Men ziet, dat in het centrale gedeelte van de badstructuur bij de neutrale 35 zone een vullichaam 72 is geplaatst, zodat de ruimte tussen de binnenwand 30 vein het katalysatorbed door dit vullichaam 72 in een bovenkamer 50 en een lagere kamer 48 wordt verdeeld, die overeenkomen met de 8301737 „ λ -6- respectievelijk tweede en eerste reactiezones die aan elkaar grenzen.

Het buitenoppervlak van vullichaam 72 is bij voorkeur zo gevormd dat het werkt als een deflector van de reactiecomponenten naar de katalysator 32, zodat, het bed gelijkmatig wordt gebruikt. Tussen het katalysa-5 torbed 32 en de binnenwand van het drukvat 36 is een ringvormige binnenwand 52 aangebracht die de beschikbare ruimte verdeelt in twee bij benadering gelijke, ringvormige kamers 54 en 56. Beide kamers 54 en 56 worden verdeeld in bovenste en lagere gedeelten, waarbij de lage gedeelten worden aangegeven door B en de· bovenste gedeelten door A. Op het niveau 10 van de neutrale zone 34 is er een overgangsopstelling, algemeen aangeduid als 58, zodat de lagere binnenste ringvormige kamer 54 B in vloei- » stofverbinding staat met de bovenste, buitenste ringvormige kamer 56 A.

Op soortgelijke wijze is de bovenste, binnenste kamer 54 A in vloeistof-communicatie met'de lagere, buitenste kamer 56 B. Elk van de binnenkamers 15 54 B en 54 A staan in verbinding met de. naburige gedeelten van het kata- lysatorbed 32 via de geperforeerde wand 30, maar zij staan niet in verbinding met elkaar. De onderste, buitenste kamer 56 B is onder open en staat in verbinding met de buiszijde van uitwisselaar 12. Daardoor worden de reactiecomponenten door kamer ‘50 geleid naar de bovenste, eerste 20 trap 20 en vandaar door kamers 54 A en 56 B naar uitwisselaar 12.

De reactiecomponenten worden in omhoog richting geleid door de buizen van uitwisselaar 12 naar kamer 48 van waaruit de reactiecomponenten op gelijkmatige wijze worden geleid door de tweede reactietrap 22. Het ondereinde van kamer 54 B is gesloten, zodat reactieprodukten 25 die de tweede reactiezone 22 verlaten door kamer 54 B naar kamer 56 A moeten passeren, waarbij de laatste in verbinding staan met uitlaat 24 van het vat 36.

Het boveneinde van het bed 26 is gesloten, en een veelvoud van valbuizen 68 staat in verbinding met inlaatopeningen 40 voor het in-30 voeren van katalysator (één is getoond). De uitlaatopeningen 42 staan rechtstreeks in verbinding met de bodem van het bed. Er valt op te merken dat menger 16 op een minimale afstand van de voedingsdeflector is (dat wil zeggen de wand van vullichaam 72) om de niet-katalytische verblijfstijd tot een minimum terug te brengen. Dezelfde relatie is van 35 toepassing op de top van uitwisselaar 12 en de tweede reactietrap 22.

De structuur van een geschikte dynamische afdichting of plug die met de katalysator naar beneden zal bewegen en gaslekkage tussen 8301737 -7- t de trappen zal verhinderen wordt weergegeven in figuur 3. Een plug kan bestaan uit een aantal lagen van een inert korrelvormig materiaal met gekozen deeltjesgrootte, dat chemisch inert is, zoals zand. Door een geschikte keuze van de deeltjesgrootte kan het systeem zo worden opge-5 steld dat migreren van fijne deeltjes in het lagere katalysatorbed en lekkage tussen de trappen wordt vermeden. Onder verwijzing naar figuur 3 is afdichting 34 samengesteld uit een sandwich met vijf lagen die top en bodemlagen 60 omvat van overlappende stukken metaalwol, tussenliggende lagen 62 van fijne katalysatordeeltjes en een centrale laag 64 van stuk-10 jes metaalfolie. Het zal duidelijk zijn dat bijzonderheden van de reac-torconstructie, de instrumentatie, de isolatie en dergelijke duidelijk zullen verschillen afhankelijk van het beoogde gebruik, en gemakkelijk zullen worden bepaald door een vakman op het gebied van dit soort reacties en reactieomstandigheden. Het zal echter dtd.de-15 lijk zijn dat reactoren volgens de uitvinding in het bijzonder geschikt zijn voor vacuum of lage druk systemen waarvan de reactiviteit voortgaat buiten de katalytische omgeving. Alle stromingen zijn ringvormig of radiaalvormig, en de inwendige wanden zijn alleen ontworpen voor drukverval en katalysatorondersteuning. indien een interne stzuctu-20 rele storing zal optreden zal die beperkt blijven binnen het vat en geen gevaar opleveren. Het ontwerp van het vullichaam 72 behoort een geleidelijke afneming in de inlaatdwarsdoorsnede langs de inlaatwand 30 van het katalysatorbed te leveren alsmede voorreactieruimte te vullen om de verblijfstijden van hete reactiecomponenten te verminderen.

25 Interne thermische uitzettingsproblemen worden opgelost door te voorzien in uitzettingsafdichtingen voor concentrische cilinders. Vele typen zijn bekend. Een verscheidenheid van middelen zijn ook beschikbaar voor de constructie van het overgangsgedeelte, maar één voorbeeld is in meer detail geïllustreerd in figuren 4 en 6. Zo is bij het over-30 gangspunt de ringvormige wand 52 taps toelopend om zich aan te passen bij de geperforeerde wand 28 (een gedeelte daarvan is weergegeven) aan de ene kant en de buitenste wand 3& aan de andere kant, waarbij uitzet-tingsverbindingen en afdichtingen 66 in het bijzonder bij het laatste punt zijn voorzien. Horizontaal zich uitstrekkende platen 71 zijn ge-35 lijkvormig geplaatst in de overgangssectie 58, waarbij zij overgangs-sub-secties vormen. Een aantal openingen 68 en 70 zijn voorzien van tapse gedeelten die tegenover elkaar liggen in afwisselende subsecties, waar- 8301737 -8- door een vloeiende verbinding wordt verkregen tussen kamer 56 A en 54 B. De kamers 56 B en 54 A zijn geheel analoog geconstrueerd.

8301737

Claims (1)

1. t -9- C O N C L O S I E. Katalytische reactor, omvattend een verticaal, langwerpig en cilindrisch reactorvat met inlaten en uitlaten voor reactiefluïdum en binnen dat vat twee boven elkaar geplaatste ringvormige katalysatorbedden, die in radiale richting doorstroomd worden, almede een warmteuitwisselaar 5 en verbindingsleidingen, met het kenmerk, dat de reactor is voorzien van een langwerpig, ringvormig kat alys at orbed (26), concentrisch met het vat, welk bed is opgesloten tussen een buitenste geperforeerde wand (28) en een binnenste geperforeerde wand (30) welk bed door een of meer pluggen (34) is verdeeld in een eerste trap (20) en een tweede trap (22), waar-10 bij de ruimte binnen wand (30) door een vullichaam (72) is verdeeld in een eerste (50) en een tweede (48) toevoerkamer, terwijl verder inlaat (1Ó) via de warmteuitwisselaar (12), een buiten het reactorvat gemonteerde leiding (14) en menger (16) is verbonden met toevoerkamer (50), dat buiten de geperforeerde wand (28) kamers (54 A, 56 B), platen (71) 15 en openingen (68, 70) zijn aangebracht om de fluldumafvoer uit de eerste trap via de warmtewisselaar (12) en de~tweede—toevoerkamer (48) te leiden naar de tweede katalysatortrap (22) en kamers (54 Bv 56 A), platen (71) en openingen (68, 70) om de fluldumafvoer uit de tweede trap naar de uitlaat (24) te leiden. 8301737