NO148993B - Radialstroem-reaktor for ammoniakk-syntese. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en radialstrøm-reaktor

for ammoniakksyntese, bestående av en ytre mantel av legert stål méd et lokk, et over en øvre avslutningsplate for den ytre mantel anordnet kammer idet dette kammer står i forbindelse med en ytre ringkanal mellom den ytre mantel og en koaksial indre mantel og idet en tilførsel for kold reaksjonsgass munner ut i kammeret, videre et hulsylinderformet, øvre katalysatorlag mellom to sylindriske hullvegger idet det øvre katalysatorlag er anordnet på en f'vre ringformet støtteplate og er dekket ved sin øvre ende med en plate og fremviser en avstand fra den indre mantel, videre et hulsylinderformet koaksialt til det øvre katalysatorlag anordnet nedre katalysatorlag som er innesluttet av sylindriske hullvegger, og som er avstøttet på en ringformet nedre støtteplate idet denne nedre støtteplate ved sin ytre omkrets er festet til den indre mantel, og videre en i avstand fra det nedre katalysatorlag anordnet varmeveksler med en bunt av rør mellom to rørbunner som er forbundet med den indre mantel, såvel som en tilførsel for oppvarmet gass under igangsettingsfasen og et for denne tilførsel omgivende ringformet utløp for reaksjons-.produktet fra varmeveksleren på undersiden av reaktoren,

og det særegne ved radialstrøm-reaktoren i henhold til oppfinnelsen er at lokket er forsynt med en sentral boring hvori en fordamper strekker seg inn i reaktoren, idet fordamperen fremviser en rørbunt i U-form og ved hjelp av en flens er påflenset direkte på lokket og fremviser et innløp for tilførselsvann og et utløp for den frembragte damp og er omgitt av et sylinderrør som med sin underside er påsveiset den ringformede øvre støtteplate og med sin øvre kant griper inn i en ringnot på undersiden av flensen og ved sin nedre ende fremviser åpninger, og at det ved den øvre ende med en ringformet plate dekkede øvre katalysatorlag fremviser en avstand fra sylinderrøret og avslutningsplaten, og idet en ledning er ført gjennom den avslutningsplate som strekker seg mellom den ytre mantel og sylinderrøret, og er opptatt av det øvre kammer og

forsynt med en reguleringsventil og forbinder det øvre katalysatorlag med sylinderrøret, og at den ringformede øvre støtteplate strekker seg mellom sylinderrøret og en sylindrisk vegg som omgir det nedre karalysatorlag og som har mindre diameter enn den indre mantel, idet det nedre katalysatorlag ved sin øvre ende er dekket med en ubrutt plate og fremviser en avstand til den øvre støtteplate og til den sylindriske vegg, og at den ringformede nedre støtteplate har gjennoraløpsåpninger i sitt omkretsområde.

Disse og andre trekk ved oppfinnelsen fremgår av patent-kravene.

Det er fra teknikkens stand kjent kombinasjoner av ammoniakksyntese-reaktorer med forskjellige varmevekslerinn-retninger,'herunder varmevekslere for direkte fremstilling av damp. Den foreliggende oppfinnelse vedrører en spesiell og fordelaktig kombinasjon.

Det er således tidligere kjent å anvende to over hverandre anordnede hulsylindriske katalysatorlag som hvert gjennom-strømmes radialt av gassene (se f.eks. Petroleum Inter-national 14, nr. 11, november 1974, sidene 72 osv., spesielt fig. 3 på side 76). Her blir det øvre katalysatorlag gjennomstrømmet radialt innenfra og utover. Dette er i motsetning til forholdene ved den foreliggende oppfinnelse, hvor man på en bedre måte utnytter overskuddet av reaksjonsvarme, for på den ene side å utvinne damp med høyt varmenivå og på den annen side utnytte restvarmen i syntesegassen for forvarming av friskgassene. Ved at gass-føringen velges slik at begge katalysatorlag gjennomstrømmes radialt utenfra og innover forandrer det disponible gjennomstrømningstverrsnitt seg stadig utenfra og innover slik at strømningshastigheten gjennom katalysatorlagene ved den nevnte gjennomstrømningsretning stadig stiger. Denne tiltagende strømningshastighet tilsvarer den ved frigivelse av eksoterm reaksjonsvarme stadig stigende temperatur av gassene henholdsvis den derved avtagende gassdensitet, slik at det oppnås en tilpasset reaksjon med et godt reaksjons-

utbytte og en forbedret gjenvinning av reaksjonsvarmen.

I henhold til DE pat.nr.1254604 anvendes ingen hulsylindriske katalysatorlag idet katalysatorlaget bare er oppdelt i over hverandre liggende kanaler som strekker seg over hele lagbredden og avvekslende gjennomstrømmes fra høyre mot ventre og fra venstre mot høyre. Det kan for dette ikke tales om noen radial gjennomstrømning, og dette fremgår spesielt tydelig av fig. 2 hvor den etablerte parallell-strømning i enhetlig retning er tydeliggjort ved hjelp av piler. Den del 6 som ovenfra er satt ned i den reaktor som er vist i den nevnte publikasjon er bare en brenner for forvarming av friskgassene og kan ikke sammenlignes med den varmeveklser for fremstilling av direkte damp som anvendes ved den foreliggende oppfinnelse.

Den reaktor som er vist i det franske patentskrift

1.541.837 er både med hensyn til strukturelle og funk-sjonelle trekk svært forskjellig fra den foreliggende oppfinnelse idet føringen av syntesegassen gjennom kata-lysatoren foregår aksialt i det første katalysatorlag 5,

det annet katalysatorlag 8 og det tredje katalysatorlag 9,

I det franske patentskrift 2.138.701 er katalysatorlagene anordnet i hulsylindriske rom omkring det sentrale parti av reaktoren som inneholder dampkjelen, men reaksjons-

gassene sirkulerer fra det aksiale området mot periferien av reaktoren som klart angitt i beskrivelsen på side 2,

linjer 13 - 15 og i den tilhørende tegning.

Ved radialstrøm-reaktcren i henhold til den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes god styring av de radiale og aksiale temperaturforskjeller som opptrer i denne type reaktorer.

Radialstrøm-reaktorer for syntese av ammoniakk er tidligere kjent og består typisk av en loddrett sylindrisk beholder, hvori to katalysatorlag er anordnet inne i ringformede beholdere med perforerte vegger. De virker på følgende måte: En del av syntesegassen, etter at den er foroppvarmet i det indre av reaktoren på bekostning av reaksjonsvarmen, går inn i det første lag og strømmer derigjennom radialt innenfra og utover. Reaksjonsproduktene og de uomsatte gasser som kommer ut fra det første lag blandes med den resterende del av syntesegassene i en ringformet sone som er avgrenset mellom den ytre sylindriske beholder og de rinformede perforerte beholdere nevnt ovenfor, hvoretter blandingen går inn i det annet katalysatorlag og strømmer gjennom dette radialt utenfra og innover. De omsatte gasser bringes så til å strømme gjennom en varmeveksler som er bestemt delvis til foroppvarming av gass-strømmen som skal sendes til det føste katalysatorlag.

Radialstrøm-reaktorene i henhold til den tidligere kjente teknikk gir tilfredsstillende ammoniakkutbytter, men har den ulempe at de nedsetter temperaturnivået for den reaksjonsvarme som kan gjenvinnes, idet denne gjenvinning i alle fall må foregå utenfor reaktoren.

Det er funnet at det er mulig å gjenvinne reaksjonsvarmen

i slike radialstrøm-reaktorer på en måte som er både enkel og billig, med samtidig frembringelse av damp med et høyt temperaturnivå, og et formål for den foreliggende oppfinnelse er således å tilveiebringe en radialstrøm-reaktor for syntese av ammoniakk, med to katalysatorlag, som i det indre inneholder en kjele for frembringelse av damp med et høyt temperaturnivå, og med de angitte trekk og derav følgende fordeler.

Oppfinnelsens gjenstand skal illustreres ved hjelp av de vedføyde figurer 1 og 2.

Fig. 1 viser at tilførselsgassen, foroppvarmet i rørene 22 i varmeveksleren 21 (bare et rør 22 er vist på teg-ningen), strømmer gjennom kanalen 26 med ringformet tverrsnitt anordnet rundt det nedre katalysatorlag 19 og utenfra og inn i det øvre katalysatorlag 17 og strømmer radialt innover gjennom dette mens reaksjonen finner sted.

Reaksjonsproduktene og<>>den uomsatte gass strømmer gjennom en kanal med ringformet tverrsnitt anordnet mellom det øvre katalysatorlag 17 og beholderen 8 for den rørformede kjele 4 og kommer ut fra denne kanal delvis gjennom åpningene 2 9 og delvis strømmer de gjennom kanalen 33 inn i beholderen 8 som omgir den rørformede kjele 4.

De to grenstrømmer kombineres ved bunnen av den rørformede kjele 4 og derfra strømmer de gjennom det nedre katalysatorlag 19 via en annen kanal med ringformet tverrsnitt anordnet rundt det nedre katalysatorlag 19. Reaksjonskomponentene og reaksjonsproduktene strømmer radialt innover gjennom det nedre lag 19 og samles i en sentral kanal i det nedre lag, hvorfra de slippes ut og stryker langs utsiden av røret 22

i varmeveksleren 21.

Radialstrøm-reaktoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse omfatter de følgende komponentdeler som fremgår av f ig. 1 og 2..

En ytre mantel 1 av legert stål med et lokk 2 på topp-enden med en sentral gjennomboring 3 hvorigjennom kjelen 4 bringes til å passere og utgjøres av en rørbunt av "U"-typen eller "bajonett"-typen som er flenset direkte på lokket 2 av reaktoren ved hjelp av en flens 5 og således lett kan trekkes ut.

Vannet for kjelerørene kommer inn gjennom innløpet 6 og dampen kommer ut fra munningen 7. Beholderen 8 for kjelen er et sylindrisk rør som er sveiset med sin bunndel til den ringformede plate 18 og er foretrukket utstyrt med en temperatur-ekspansjonskobling 9. Lengden av beholderen 8

er slik at når flensen 5 festes til lokket 2 trykkes den øvre kant av beholderen 8 inn i et spesielt anordnet spor 10 tildannet på undersiden av flensen 5 på kjelen 4 slik at det tilveiebringes en intern avtetning mellom den kalde gass som fra utsiden stryker langs veggen av beholderen 8 og den varme gass i det indre av kjelen 4.

I fig. 2 er avtetningen mellom beholderen 8 og flensen

5 vist skjematisk, idet beholderkanten er trykket inn i sporet 10 på flensen 5 utstyrt med et pakningsmaterial 11.

Den fullstendige avtetning overfor utsiden blir da til-veiebragt ved hjelp av en linseformet pakning 12 anordnet mellom flensen 5 og lokket 2.

Beholderen 8 for kjelen 4 er utstyrt med en regulerings-

ventil 34 som betjenes fra utsiden og tillater at strømningshastigheten av gass som sendes til kjelen kan varieres. Beholderen 8 for kjelen 4 er i sin bunnende ustyrt med et sett huller 29 som tillater strømning av en del av gassen når ventilen er helt åpen. Den kalde gass tilføres reaktoren via røret 35 i området over kata-lysatoren og derfra strømmer den gjennom den ringformede kanal 16 inn i rørene 22 i varmeveksleren 21 og derfra til det øvre lag 17 og deretter til det nedre lag 19, som antydet ovenfor. Den varme gass som frembringes ved reaksjonen strømmer inn til kjelen 4 gjennom røret 33 som også foretrukket er utstyrt med en termisk ekspansjons-

kobling.

Det øvre katalysatorlag 17 er anordnet i en krans omkring

kjelen 4 inne i området avgrenset av utsiden av kjelebeholderen 8 og en første sylindrisk indre mantel 15 som er koaksial med den tidligere nevnte ytre mantel 1 for å avgrense en sone 16 med ringformet tverrsnitt hvorigjennom den kalde gass strømmer. Laget 17 er anordnet i tilbørlig avstand både fra utsiden av kjelebeholderen 8 og fra inn-

siden av den ovennevnte sylindriske indre mantel 15. Det øvre katalysatorlag 17 ligger på den ovennevnte plate 18

og er anordnet i avstand fra topp-platen 13 hvorigjennom røret 33 er ført, og som fører de varme gasser til kjelen 4. Topp-platen 13 som er ringformet, er ytterst festet til den indre vegg av den ytre matel 1, og innerst til kjelebeholderen 8. Topp-platen 13 er anordnet i avstand fra lokket 2 på en slik måte at det etterlates tilstrekkelig rom for gjennomføring av røret 33, ventilen 34 og

tilførselsrøret 35.

Det nedre katalysatorlag 19 er anordnet under det øvre

lag 17 og adskilt fra dette og har også et ringformet tverrsnitt og hviler på den ringformede bæreplate 20.

Det er anordnet i tilbørlig avstand fra bæreplaten 18 for det øvre lag 17 og fra en ytterligere sylindrisk indre mantel 25 anordnet koaksialt innenfor og parallelt med den tidligere nevnte første sylindriske indre mantel 15 og har en diameter lik diameteren av bæreplaten 18 for det øvre katalysatorlag 17. I den tomme sentrale sone av det nedre katalysatorlag 19 strømmer de reagerte gasser som så stryker langs utsiden av rørene 22 i varmeveksleren 21, idet denne er av konvensjonell type og er anbragt under det nedre katalysatorlag 19, idet varmeveksleren 21 har to rørplater 23, 24 forbundet til den første koaksiale sylindriske mantel 15, idet denne således utgjør kappen for varmeveksleren 21.

De reagerte gasser kommer ut fra varmeveksleren gjennom kanalen 32 med ringformet tverrsnitt. Kanalen 30 ved bunnen av reaktoren er bestemt for tilførsel av de varme syntesegasser under igangkjøringstrinnet. Når reaktoren er tent og har nådd sin stabile tilstand tilføres reaksjonskomponentene gjennom røret 35.

Hvert av de to katalysatorlag 17, 19 er innesluttet mellom to sylindriske perforerte vegger og den øvre ende er anordnet i avstand fra de respektive ringformede plater, mens de er lukket ved bunnen ved hjelp av bæreplaten for lagene. Det bemerkes at både topp-platen 18 og bæreplaten 20 for det nedre katalysatorlag 19 i området for deres' største omkrest er perforerte slik at gass-strømmen tillates å passere.

Claims (3)

1. Radialstrøm-reaktor for ammoniakksyntese, bestående av en ytre mantel (1) av legert stål med et lokk (2), et over en øvre avslutningsplate (13) for den ytre mantel (1) anordnet kammer (14) idet dette kammer (14) står i forbindelse med en ytre ringkanal (16) mellom den ytre mantel (1) og en koaksial indre mantel (15) og idet en tilførsel (35) for kold reaksjonsgass munner ut i kammeret (14) , videre et hulsylinderformet, øvre katalysatorlag (17) mellom to sylindriske hullvegger idet det øvre .katalysatorlag (17) er anordnet på en øvre ringformet støtte-plate (18) og er dekket ved sin øvre ende med en plate og fremviser en avstand fra den indre mantel (15), videre et hulsylinderformet koaksialt til det øvre katalysatorlag (17) anordnet nedre katalysatorlag (19) som er innesluttet av sylindriske hullvegger, og som er avstøttet på en ringformet nedre støtteplate (20) idet denne nedre støtteplate (20) ved sin ytre omkrets er festet til den indre mantel (15) , og videre en i avstand fra det nedre katalysatorlag (19) anordnet varmeveksler (21) med en bunt av rør (22) mellom to rørbunner (23,24) som er forbundet med den indre mantel (15), såvel som en tilførsel (30) for oppvarmet gass under igangsettingsfasen og et for denne tilførsel omgivende ringformet utløp (32) for reaksjonsproduktet fra varmeveksleren (21) på undersiden av reaktoren, karakterisert ved at lokket (2) er forsynt med en sentral boring (3) hvori en fordamper (4) strekker seg inn i reaktoren, idet fordamperen (4) fremviser en rørbunt i U-form og ved hjelp av en flens (5) er påflenset direkte på lokket (2). og fremviser et innløp (6) for tilførselsvann og et utløp (7) for den frembragte damp og er omgitt av et sylinderrør (8) som med sin underside er påsveiset den ringformede øvre støtteplate (18) og med sin øvre kant griper inn i en ringnot (10) på undersiden av flensen (5), og ved sin nedre ende fremviser åpninger (29), og at det ved den øvre ende med en ringformet plate dekkede øvre katalysatorlag (17) fremviser en avstand fra sylinderrøret (8) og avslutningsplaten (13), og idet en ledning (33) er ført gjennom den avslutningsplate (13) som strekker seg mellom den ytre mantel (1) og sylinderrøret (8), og er opptatt av det øvre kammer (14) og forsynt med en reguleringsventil (34) og forbinder det øvre katalysatorlag (17) med sylinder-røret (8), og at den ringformede øvre støtteplate (18) strekker seg mellom sylinderrøret (8) og en sylindrisk vegg (25) som omgir det nedre katalysatorlag (19) og som har mindre diameter enn den indre mantel (15), idet det nedre katalysatorlag (19) ved sin øvre ende er dekket med en ubrutt plate (27) og fremviser en avstand til den øvre støtteplate (18) og til den sylindriske vegg (25), og at den ringformede nedre støtteplate (20) har gjennom-løpsåpninger i sitt omkretsområde.

2. Radialstrøm-reaktor som angitt i krav 1, karakterisert ved at sylinderrøret (8) er forsynt med et forbindelsessted (9) som muliggjør varmeutvidelser.

3. Radialstrøm-reaktor som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at ledningen (33) som forbinder det øvre katalysatorlag (17) med fordamperen (4) er forsynt med et forbindelsessted som muliggjør varmeutvidelser.