NO131931B - - Google Patents

Description

Apparat for å utføre eksoterme dampfasereaksjoner.

Foreliggende oppfinnelse angår et apparat for å utføre eksoterme katalytiske reaksjoner i dampfase, hvor en gassformet reaksjonsblandning ledes gjennom et sta-sjonært katalysatorlag. Oppfinnelsen er særlig egnet til bruk ved reaksjoner av den type som utføres ved høyt trykk, d. v. s. ved et trykk av ca. 100—1000 atm. eller høyere trykk, f. eks. for ammoniakksyntese, syntese av metanol fra kullstoffmonoksyd og hydrogen, Fischer-Tropsch-syntese av kullvannstoffer og høyere alkoholer og for andre lignende hydreringsprosesser.

Ved slike reaksjoner er det et meget viktig problem å kunne regulere tempera-turbetingelsene innenfor katalysatoren. Høye katalysatortemperaturer er nødvendig for å oppnå en høy reaksjonshastighet, men hvis temperaturen i hvilken som helst del av katalysatormaterialet blir for høy, vil dette materiale skades og dets aktivitet vil avta. Det er f. eks. velkjent at jernkataly-satorer som brukes ved ammoniakk-syntese hurtig mister deres aktivitet ved temperaturer som ligger vensentlig over 500° C og ammoniakk-syntese-omformere må derfor forsynes med innvendige kjøleelementer som kan hindre slike høye temperaturer i alle deler av katalysatorlaget. Det samme gjelder katalysatorer som brukes ved rae-tanolsynte.sen og ved andre hydreringsprosesser som utføres under høyt trykk.

For å oppnå en passende temperatur-regulering har man inntil nå fortrinnsvis kjølt katalysatoren ved hjelp av bajonett-rør som er anordnet tilstrekkelig tett inntil hverandre for at lokal overhetning eller dannelse av hete punkter i katalysatoren unngås. De forholdsvis kolde innkommende reaksjonsgasser passerer gjennom de indre rør av disse varmeutvekslere i motstrøm til strømmen av de reagerende gasser gjennom katalysatoren, forandrer deretter deres retning og passerer gjennom det ringformede rom mellom det indre rør og det ytre rør i medstrøm med de reagerende gasser og tilslutt passerer de gjennom selve katalysatoren. Foreliggende oppfinnelse angår særlig en forbedring av varmeutvekslingselementer av denne type og av temperaturbetingelser innenfor katalysatorlaget som man derved oppnår.

Det er blitt gjort store fremskritt ved konstruksjonen av omformere som brukes for utførelse av høytrykk-, høytemperatur-gassfaseprosesser. Slike omformere består i hovedsaken av tykke og tunge trykkfaste vegger som omslutter en kapsel eller et re-aksjonskar inneholdende katalysatoren og dens kjølerør og vanligvis inneholdende også en varmeutveksler for å forvarme de innkommende gasser ved indirekte varmeutveksling med de hete gasser som forlater katalysatoren. For å isolere omformerman-telen fra de høye temperaturer i katalysatoren og varmeutveksleren, ledes først de innkommende gasser mellom de ytre trykkfaste vegger og den indre kapsel eller ka-talysatorenhet. Gassene passerer deretter inn i varmeutveksleren og ledes gjennom den og forvarmes delvis under samtidig kjøling av de reagerende gasser fra katalysatoren. De innkommende gasser føres deretter inn i de i katalysatorlaget innlagrede bajonettkjølere, som beskrevet ovenfor de for første gang kommer i be-røring med selve katalysatoren. De hete reaksjonsgasser fra katalysatoren ledes direkte inn i rørene av varmeutveksleren og etter en delvis avkjøling i disse rør forlater de omformeren gjennom en passende utløpspassasje i den trykkfaste mantel av omformeren. For å nå denne bevegelses-bane er det nødvendig at gassinnløps-endene av de i katalysatoren innlagrede bajonettkjølere anordnes således at de støter opp til den indre varmeutveksler i katalysatorkapselen, da de forvarmede reaksjonsgasser i motsatt fall måtte vandre langs den trykkfaste mantel, hvilket ville føre til opphetning av metallet i mantelen og bevirke sprøhet.

Høytrykksomformere av den ovenfor beskrevne konstruksjon og virkemåte har vært fremstilt for omtrent 25 år siden for bruk ved ammoniakksyntese fra nitrogen-hydrogen blandinger og de er beskrevet i U. S. pat. 1.909.378 som viser nærmere kon-struksjonsdetaljer. Et stort antall av slike omformere har siden vært installert og drevet for ammoniakksyntese, syntese av metanol og for andre reaksjoner av lignende type. Disse omformere ga tilfreds-stillende resultater når de var drevet innenfor den for den bestemte kapasitet, det har imidlertid vist seg i praksis at meget høye temperaturer oppstår under overbelastning i visse deler av katalysatoren og dette fører til en tilsvarende minskning av aktivi-teten av katalysatormaterialet.

Foreliggende oppfinnelse har som gjen-stand et apparat til utførelse av eksoterme katalytiske gassreaksjoner under trykk av den art som omfatter en motstrømsvarme-utveksler anordnet inne i et trykk-motstandsdyktig hus eller mantel, og et katalysatorlag gjennom hvilket det strekker seg-et antall av gassførende rør og et antall av varmeutvekslingselementer av Field-rør-typen for å tilveiebringe varmeutveksling med den fremdeles ureagerte gassblanding, og apparatet i henhold til oppfinnelsen er karakterisert ved at de indre rør av nevnte varmeutvekslingselementer er varmeisolert på utsiden, og fortrinnsvis over hele lengden derav.

Ved en utførelsesform av apparatet omfatter varmeisoleringen et mellomliggende rør anordnet i avstand fra det indre rør, så at det dannes et stillestående gasslag mellom de to rør. Ved en videre ut-førelsesform er hvert indre rør innført i en hul sylindrisk blokk som på sin side bæres av en rørplate, og blokken er utstyrt med langsgående flenser til hvilke de isolerende rør er festet.

Oppfinnelsen vil nu nærmere forklares under henvisning til vedlagte tegninger.

Fig. 1 er et vertikalsnitt, delvis av-skåret, av en katalysatorkapsel og en del av den trykkfaste mantel av en ammoni-

akl^synteseomformer ifølge oppfinnelsen. Det vil forståes at bortsett fra den nye konstruksjon av bajonettvarmeutvekslings-elementer i katalysatoren og den derved oppnådde forbedrede driftsmåte, er det på figuren viste apparat en ammoniakksyntese-omformer av vanlig kjent type. Fig. 2 er i forstørret målestokk en del av katalysatorkurven i fig. 1 og viser struk-turen av de forbedrede bajonett-varmeutvekslere. Fig. 3 er et horisontalsnitt etter linjen 3—3 i fig. 1 og viser beliggenheten av bajo-nettkjølere i katalysatoren og også de gass-ledende rør og

fig. 4 er et skjema som viser temperaturfordelingen fått ved prosessen ifølge oppfinnelsen og temperaturfordelingen fått under de samme betingelser med vanlige kjente bajonettkjølerør.

En detaljert beskrivelse av den på fig.

1 viste omformer er overflødig, da konstruksjonen og virkemåten av slike omformere er velkjent. Katalysatorkapselen be-tegner generelt med 1 betår av en ytre sylindrisk vegg eller rør 2 forsynt med hode-stykker 3 og 4 som er boltet eller på annen måte festet til dens motsatte ender. En varmeutveksler 5 av vanlig konstruksjon er innebygget i en ende av dette rør, mens den annen ende inneholder en katalysator-kurv 6. Varmeutveksleren 5 er forsynt med en rekke av gassinnløps-passasjer 7 rundt dens ytre ende, idet en rekke varmeutveks-lingsrør 8 strekker seg i lengderetningen av røret 2 og tverrflenser 9 for å rette strømmen av de innkommende gasser på tvers av rørene og for derved å oppnå en mere effektiv varmeutveksling. Katalysatorkurven 6 består av et nedre katalysator-understøttende gitter 10 og et øvre gitter 11, begge forsynt med åpninger for passasje av gassene gjennom dem, og av øvre og nedre rørplater 12 og 13 i hvilke er festet endene av de indre rør 14 og de ytre rør 15 av bajonettkjølerne. De nedre ender 16

av de ytre rør 15 strekker seg gjennom bunngitteret 10 og holdes derved på plass, de nedre ender 17 av de indre rør (fig. 2) slutter i en viss avstand over bunngitteret 10 og er eventuelt konsentriske med de

ytre rør som, hvis ønsket, omslutter dem ved hjelp av passende avstandsstykker. Kornet katalysatormateriale anbringes i kurven 6 rundt alle de ytre rør 15, som vist i fig. 3, og strekker seg i en ubrutt søyle fra det nedre gitter 10 til det øvre gitter 11.

Det vil forståes at kapselen 1 er full-stendig omgitt av tunge trykkfaste vegger

i omformeren. En del av det nedre eller innløps-hovedstykke av denne ytre mantel

eller bombe er betegnet med 20 og gass-innløpskanalen med 21. Konsentriske rør 22 og 23 er anbrakt i denne passasje, det ytre rør 22 er en forbiledning for innføring av kolde reaksjonsgasser direkte til katalysatoren og derved styring av katalysator-temperaturen, og røret 23 er en termoele-ment-brønn. Hovedstrømmen av reaksjonsgassene passerer gjennom den trykkfaste vegg ved hjelp av den ytre passasje 21, gassene passerer deretter utover og strømmer langs den indre overflate av den trykkfaste mantel i lengderetning av kapselen 1 og tilslutt trenger de inn i kapselen gjennom innløpspassasjer 7 som fører til gassinnløpssiden av varmeutveksleren 5. Strømmen av disse gasser er vist på tegningen ved hjelp av pilene. Fra innløps-passasjer 7 passerer de innkommende gasser gjennom varmeutvekslingsrørene 8, idet de styres av ledeplater 9, og trenger inn i kanaler 25 i en sentralt anordnet passasje 26. De delvis forvarmede gasser strømmer langs denne passasje til utløpet 27 som står i forbindelse med innløps-endene 14 av de indre rør ved hjelp av en gassinnløpspassasje 28. De innkommende gasser strømmer nedover gjennom de indre rør til deres nedre ender 17 og deretter i omvendt retning og passerer oppover gjennom de ringformede passasjer mellom de ytre overflater av disse rør og de indre over-flater av rørene 15 og tilslutt trenger de inn i passasjen 29 mellom de nedre og øvre rørplater 12 og 13. Gassene strømmer deretter nedover gjennom de gass-ledende rør 30 til rommet 31 under bunngitteret 10, hvor de påny forandrer retning og strøm-mer oppover gjennom katalysatoren. Gassene passerer fra katalysatoren gjennom det øvre gitter 11 og kommer inn i passasjen 32 fra hvilken de passerer rgjennom en ringformet kanal 33 til innløpskamme-ret 34 av varmeutveksleren 5. Fra dette kammer passerer reaksjonsgassene gjennom varmeutvekslingsrør 8 hvor de avgir størstedelen av deres varme til de innkommende reaksjonsgasser, og tilslutt forlater de omformeren gjennom gassutløpet 35.

I omformere av denne type har inntil nå kjøleelementene for katalysatoren vært således konstruert at de opprettholdt en temperaturgradient som øket uavbrudt fra gassinnløpsenden av katalysatorlaget til et område som støter opp til dets gassutløps-ende, som vist ved C i fig. 4. Dette oppnåes ved å drive bajonettkjølere som dobbelte motstrøms-varmeutvekslingsenheter, hvor gassene som passerer nedover gjennom de indre rør 14 forvarmes ved varmeutveksling med forangående deler av den samme gasstrøm som passerer oppover i de ringformede rom mellom de indre og de ytre rør, idet i en med 2 m lange indre rør forsynt typisk ammoniakkomformer kan gassene oppvarmes med ca. 37—70° C før de kommer i varmeutvekslingsforhold med katalysatoren. Denne arbeidsmåte resul-terte i gode utbytter av ammoniakk, metanol eller andre reaksjonsprodukter ved hver passasje av de reagerende gasser gjennom katalysatoren under normale drifts-kapasiteter, men under overbelastning blir temperaturreguleringen av katalysatoren ustabil.

Foreliggende oppfinnelse benytter en forandret form for bajonettkjølerør, hvor man vesentlig hindrer varmeutveksling mellom de innkommende gasser i de indre rør og de utgående gasser i det ringformede rom og oppnår derved en temperaturgradient med en forholdsvis flat profil gjennom hovedmassen av katalysatoren istedenfor som det ble gjort inntil nå å bevirke en gradvis økning av katalysator-temperaturen. Denne endrete temperaturprofil resulterer i at omformeren kan drives med en betydelig øket kapasitet uten at noen del av katalysatorlaget overhetes til et punkt hvor katalysatorvarigheten for-kortes. Med andre ord oppnår man meget høyere omformerkapasiteter uten å for-korte varigheten av katalysator-aktivite-ten.

En endret konstruksjon av bajonett-kjøleelementer ved hjelp av hvilken fåes denne forbedring er vist i fig. 2. De ytre eller lukkede rør 15 som er montert i den nedre rørplate 13 er konstruert på samme måte som den vanlige ovenfor beskrevne konstruksjon. De indre rør 14 som er un-derstøttet i den øvre rørplate 12 er imidlertid forsynt på deres ytterside med en passende isolasjon for å hindre overhetning av de innkommende gasser når disse strøm-mer nedover i disse rør. Selvom man kan bruke hvilken som helst passende isola-sjonstype, består et særtrekk ved oppfinnelsen i at der er anordnet mellomliggende rør 40 som omgir de indre rør 14 og danner mellom dem et rom 41 med stillestående gass. Anordning av rør 40 skaffer en lett og effektiv måte for å oppnå den ønskede varmeisolasjon av de indre rør til de ytre rør 15 uten vesentlig å endre tverr-snittoverflåtene av gasspassasjene. Dette er av betydning når oppfinnlesen skal anvendes til allerede eksisterende omformere. Det vil forstås at innføring av den nød-vendige mengde av isolasjon mellom de indre rør 14 og de ytre rør 15 resulterer i en i det vesentlige isoterm temperaturgradient i gassutløpsenden av katalysatorlaget. Denne arbeidsmåte er meget mere stabil enn den som man utførte tidligere og den hindrer en overhetning av katalysatoren selv når omformeren arbeider med trykk og gasshastigheter som er meget høyere enn de for hvilke omformeren opp-rinnelig er bestemt.

Den særlige konstruksjon som er brukt for å installere isolasjonsrørene 40 frem-går av tegningen. De indre rør 14 er valset til hule sylindriske blokker 42, forsynt på deres nedre ender med langsgående flenser 43, og isolasjonsrørene 40 er anbrakt rundt disse flenser og festet til dem ved' hjelp av sveising eller på annen passende måte. Isolasjonsrørene har fortrinnsvis samme lengde som de indre rør 14, slik at man får en isolasjon langs hele lengden av disse rør, men det vil forstås at deres lengde kan varieres for å tilveiebringe en endret temperaturprofil i katalysatoren hvis dette skulle vise seg nødvendig. Det kan således sees at den særlige utførelsesform for oppfinnelsen som er vist på tegningen kan monteres uten en større økning av omkost-ninger med omformeren og kan innenfor de ovenfor nevnte begrensninger tilpasses til hver ønsket forandring av temperaturbetingelser i katalysatorlaget.

På fig. 4 viser kurven A den forandrete temperaturgradient som fåes ved hjelp av, de tredobbelte kjølerør som er vist i fig. 2. P'or sammenligningens skyld viser en kurve B temperaturprofilen som man ville få ved den samme produksjonskapasitet med. et lignende antall av vanlige bajonett-kjølerør, og en tredje kurve C viser at man må bruke et betydelig større tall av de vanlige rør for å oppnå resultater som kan sammenlignes med foreliggende oppfinnelse. Hva angår kurven C, vil det forstås at diameteren av katalysatorlaget og der-med diametrene av katalysatorkurven og av den trykkfaste mantel må økes betydelig for å kunne oppta ekstrarørene. Hele omformeren må med andre ord gjøres betydelig større for å oppnå den økede kapasitet.

Tegningen viser den betydelige forandrete temperaturgradient som fåes ved foreliggende oppfinnelse. Kurvene ble er-holdt ved å trekke opp temperaturen av katalysatoren i grad Celsius mor avstanden fra utløpet av katalysatorlaget målt i meter. Det kan sees at nitrogen-hydrogen blandingen i alle tilfelle ble forvarmet av varmeutveksleren 5 og av bajonett-kjøle-rørene til 460° C og at dens temperatur steg hurtig til 493—499° C i de første 30 cm av katalysatoren under nivået av de nedre ender 17 av de indre rør 14. Fra dette punkt kan man se virkningen av isolasjo-nen. Kjølevirkning av de delvis forvarmede innkommende gasser fått ved hjelp av vanlige bajonett-kjølerør er meget mindre enn den som fåes med de tredobbelte kjøle-rør ifølge foreliggende oppfinnelse og derfor kan man se at temperaturen av katalysatoren uavbrutt stiger både i kurven B og i kurven C. Kurve A viser på den annen side at med forbedringen ifølge foreliggende oppfinnelse forblir katalysator-temperaturen nesten konstant i resten av katalysatorlaget og katalysatoren blir ikke utsatt for beskadigelse på grunn av meget høye temperaturer.

Oppfinnelsen har vært beskrevet med spesiell henvisning til syntese av ammoniakk fra nitrogen og hydrogen, fordi dette er en typisk eksoterm høytrykksreaksjon i dampfase som i stor utstrekning brukes kommersielt. Det vil imidlertid forstås at lignende fordeler fåes i liknende omformere som drives for syntese av metanol eller for syntese av kullvannstoffer fra kullstoffmonoksyd og hydrogen eller kulldiok-syd og hyrogen og for andre sterkt eksoterme katalytiske høy temperaturr eaks joner som utføres under høye trykk. Selv om oppfinnelsen også kan anvendes for eksoterme reaksjoner under lavt trykk, hvis dette ønskes, har denne anvendelse ikke en tilsvarende betydning, for graden av var-meutvekslingen fått med ikke isolerte indre

rør ved driftstrykk vesentlig under 100 atm.

er forholdsvis liten ved lavere trykk og krever vanligvis ikke anvendelse av isola-sjonen.

Eksempel.

Omformeren vist i fig. 1—3 arbeidet under et trykk av 1000 atm. og ved rom-hastigheter av ca. 90 000 for å fremstille 42—43 tonn av ammoniakk i løpet av 24 timer under bruk av en syntesegass inneholdende ca. 68 volumprosent av en 1 : 3 nitrogen-hydrogen-blanding og 30—32 pst. av inerte gasser som i hovedsaken bestod av metan og argon. Katalysatorlaget var 2,2 m lang og hadde en diameter av 42 cm, de ytre kjølerør 15 hadde en ytre diameter av 2,5 cm og katalysatorvolumet utgjorde således 0,2 m<3>.

Innløpsgasstemperaturen ved de indre rør 14 ble opprettholdt ved 330° C og kata-lysatortemperaturen var 460—500° C, som vist i fig. 4. De nedre ender 17 av de indre rør 14 var anordnet i en avstand av ca. 30 cm fra de lukkede ender av de ytre rør 15 og temperaturøkningen i katalysatoren ble derfor stanset ved dette nivå av kjølevirk-ningen av varmeutvekslingsrørene. Tegningen viser at en meget stabil arbeidsmåte ble oppnådd i resten av katalysatorlaget og at temperaturgradienten danner en flat kurve som heller nedover mot utløpsenden av omformeren med minskingen av urea-gert nitrogen og hydrogen i gassene.

Temperaturene som er vist på kurven A ble oppnådd med termoelementer i brøn-nen 23 ved aksen av katalysatoren. Det vil forstås at disse temperaturer kan senkes eller heves ved å variere innløpstempera-turen av de i de indre rør 14 innkommende gasser uten noen vesentlig forandring av karakteren av selve kurven. Oppfinnelsen tillater med andre ord å arbeide med katalysatoren ved hvilken som helst ønsket temperatur med en i det vesentlige flat temperaturgradient i lengderetning av katalysatoren, hvilket betyr en meget stabil arbeidsmåte.

Kurvene B og C er beregnede tempera-turprofiler for den samme omformer og de samme gassinnløpstemperaturer under bruk av vanlige bajonett-varmeutvekslere istedenfor de isolerte indre rør ifølge oppfinnelsen. Kurven B viser at man ville oppnå meget høyere utløpstemperaturer av katalysatoren med det samme tall av rør og kurven C viser arbeidsbetingelsene når man bruker et større tall av rør for å opp-rettholde lignende utløpstemperaturer. Det kan sees at man i begge tilfelle får en meget mindre stabil arbeidsmåte fordi temperaturprofilen har sitt maksimum nær ut-løpet av katalysatorlaget.

Claims (3)

1. Apparat for utførelse av eksoterme katalytiske gassreaks joner under trykk, omfattende en motstrømsvarmeutveksler anordnet inne i et trykk-motstandsdyktig hus eller mantel og et katalysatorlag gjennom hvilket det strekker seg et antall av gass-førende rør og et antall av varmeutvekslingselementer av Field-rørtypen for å tilveiebringe varmeutveksling med den fremdeles ureagerte gassblanding, karakterisert ved at de indre rør av nevnte varmeutvekslingselementer er varmeisolert på utsiden, og fortrinnsvis over hele lengden derav.

2. Apparat som angitt i påstand 1, karakterisert ved at varmeisoleringen omfatter et mellomliggende rør anordnet i en avstand fra det indre rør, så at det dannes et stillestående gasslag mellom de to rør.

3. Apparat som angitt i påstand 2, karakterisert ved at hvert indre rør er inn-ført i en hul sylindrisk blokk, som på sin side bæres av en rørplate, og blokken er utstyrt med langsgående flenser til hvilke de isolerende rør er festet.