WO2000035574A1 - Reactor module with contact tube bundle - Google Patents

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WO2000035574A1
WO2000035574A1 PCT/EP1999/009971 EP9909971W WO0035574A1 WO 2000035574 A1 WO2000035574 A1 WO 2000035574A1 EP 9909971 W EP9909971 W EP 9909971W WO 0035574 A1 WO0035574 A1 WO 0035574A1
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heat exchange
exchange medium
reactor module
prechamber
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PCT/EP1999/009971
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Gerhard Olbert
Franz Corr
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Basf Aktiengesellschaft
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    • B01J19/2425—Tubular reactors in parallel
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    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
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    • B01J2219/00103—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements outside the reactor in a heat exchanger separate from the reactor

Definitions

  • the invention relates to a reactor module with a contact tube bundle, a reactor made up of two or more reactor modules arranged in a row, and the use of a reactor module or a reactor for carrying out oxidation reactions.
  • the usual design of generic reactors consists of a, usually cylindrical, container in which a bundle, i.e. a plurality of contact tubes is usually arranged in a vertical arrangement.
  • These contact tubes which may contain supported catalysts, are sealed with their ends in tube sheets and each open into a hood connected to the container at the upper or lower end.
  • the reaction mixture flowing through the catalyst tubes is supplied or discharged via these hoods.
  • a heat exchange medium circuit is passed through the space surrounding the contact tubes in order to balance the heat balance, in particular in the case of reactions with a strong exotherm.
  • reactors with the largest possible number of contact tubes are used, the number of contact tubes accommodated often being in the range from 10,000 to 40,000 (cf. DE-A-44 31 949).
  • the cylindrical reactor geometry has the disadvantage that, in particular in the technologically particularly advantageous crossflow of the heat exchange medium to the contact tubes from an area outside the contact tubes to the contact tube-free interior of the reactor, the radially inwardly decreasing cross-sectional area does not allow the full coolant flow to the inside of the contact tube bundle. Rather, coolant must be removed axially through bores in the baffle plates in order to keep the pressure loss and thus the pump output within acceptable limits.
  • the object of the invention is to provide a reactor whose capacity can be adapted to the requirements of the individual case.
  • the solution is based on a reactor module with a contact tube bundle, through the space surrounding the contact tubes of which a heat exchange medium circuit is led with supply and discharge lines at both ends of the reactor module with jacket openings for the supply and discharge of a heat exchange medium in cross flow to the contact tubes by means of a or several pumps, if necessary by transferring the heat exchange medium or a partial flow of the heat exchange medium via one or more external heat exchangers, the heat exchange medium being fed to the lower line and being returned to the pump (s) via the upper line.
  • the solution is then characterized in that the reactor module has a rectangular cross section.
  • a hood delimiting a pressurized gas space can also be designed in a semi-cylindrical geometry, as used for both sides of a container with a rectangular cross-section is necessary.
  • Contact tube-free spaces are preferably arranged in the reactor space on two opposite reactor side surfaces parallel to the contact tubes, which preferably extend over the entire reactor height, and one or more baffle plates which alternately leave average cross sections in the contact tube-free spaces.
  • the contact tube-free spaces are preferably arranged on the two wide reactor side surfaces.
  • a ratio of 1: 1 to 10: 1 is advantageous, preferably from 3: 1 to 6: 1, particularly preferably from 5: 1. Relative values of 1.5 m to 7 m are preferred for the reactor height.
  • An odd number of deflection plates is preferably provided; this means that the heat exchange medium is supplied and removed on the same side of the reactor module. 1, 3 or 5 deflection plates are particularly preferably provided.
  • a particularly space-saving arrangement is thus achieved.
  • Different heat profiles may be required due to the course of the reaction; an adaptation to the requirements of the individual case is possible in that the heat exchange medium flow is adapted by means of one or more bypasses through the deflection plates in their tube-free areas, with fixed or controllable through openings.
  • a particularly preferred embodiment variant is a reactor module with intermediate walls in the supply and discharge lines, which each form a lower outer prechamber and a lower inner prechamber in the feed line and an upper outer prechamber and an upper inner prechamber in the discharge line.
  • the heat exchange medium becomes the lower outer prechamber, via an area between the supply line and the discharge line of the upper inner prechamber, via its jacket opening to the reactor chamber surrounding the contact tubes, then via a jacket opening of the lower inner antechamber, via the area between the supply and discharge lines of the upper outer chamber and finally returned via the discharge line to the pump (s).
  • an adaptation to the respectively required temperature profile can be achieved by an outer chamber adjacent to the wide reactor side assigned to the contact tube-free space with openings to the reactor space surrounding the contact tube bundle and with fixed or controllable through openings for the heat exchange medium in the outer chamber.
  • a particularly advantageous embodiment provides for a pipe division, according to which the contact tubes of the contact tube bundle are arranged in rows which are offset with respect to one another, the ratio of the tube distance s q transversely to the direction of flow through the heat exchange medium to the tube distance s longitudinally to the direction of flow through the heat exchange medium preferably being greater than or equal to 2 • V3, particularly preferably equal to 2 • 3.
  • Such a tube arrangement opposes the inflowing heat exchange medium with a lower resistance; the pressure loss is correspondingly lower with a higher heat transfer coefficient.
  • the invention also relates to a reactor which is constructed from two or more reactor modules arranged in a row in the direction of the longitudinal axis of the contact tube and on the narrow side surfaces.
  • Such reactors are characterized through a flexible capacity that can be adapted to the specific requirements.
  • the semi-cylindrical hoods that close the gas space can be extended to one of their flat side surfaces, which are provided with through openings accordingly. An upper limit for the capacity of reactors is thus lifted.
  • the heat exchange medium circuit can be used for the removal as well as the supply of heat from or to the reaction mixture flowing through the contact tubes; the reactor module according to the invention or the reactor according to the invention can thus be used for both exothermic and endothermic reactions. They are particularly suitable for carrying out oxidation reactors, in particular for the preparation of phthalic anhydride, maleic anhydride, glyoxal, (meth) acrolein or (meth) acrylic acid.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a reactor module according to the invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a reactor module according to the invention
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a preferred embodiment of a reactor module according to the invention
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a further preferred embodiment of a reactor module according to the invention
  • Figure 5 shows a preferred arrangement of the contact tubes
  • FIG. 6 shows a reactor constructed by way of example from three reactor modules.
  • Figure 1 shows a reactor module 1 with a rectangular cross section with a vertical contact tube bundle 2, with feed line 3 and discharge line 4 for the heat exchange medium and with jacket openings 5, 6 to the reactor module 1.
  • On the opposite wide side surfaces of the reactor module there are contact tube-free spaces 7, 8 for Distributing or collecting the heat exchange medium provided.
  • the baffles 9 cause fflef '-shaped guide the heat exchange medium.
  • the gas or gas mixture G is introduced into the gas inlet space 21, flows through the contact tubes 2 and is then discharged via the gas outlet collector 22. Pumps P and heat exchanger W are arranged on the same wide side of the reactor module 1.
  • bypasses for the flow of heat exchange medium are additionally shown in the baffle plates 9, in their contact tube-free regions, which open controllable through openings 10 or through openings 11 for the heat exchange medium.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a preferred embodiment variant, with direct current flow of heat exchange medium and gas mixture G.
  • a lower outer prechamber 13, a lower inner prechamber 14 and an upper outer prechamber 15 are provided by means of partition walls 12 in the supply and discharge lines 3, 4 and an upper inner prechamber 16 is formed.
  • the heat exchange medium is then fed from the feed line 3 into the lower outer prechamber 13, via a region between the feed and discharge lines 3, 4 of the upper inner prechamber 16, via the jacket opening 5 to the space surrounding the contact tubes and then via the jacket opening 6 , the lower inner prechamber 14, an area between the supply and discharge lines 3, 4 and the upper outer prechamber 15 to the pump (s).
  • an outer chamber 17 can be arranged on the divided antechambers 13 to 16 opposite the wide reactor outside, with openings 18, 19 to the reactor module or to the space 8 free of contact tubes or adjustable passage openings 20 can be set.
  • one or more heat exchangers W are arranged on the wide side of the reactor module 1 opposite the pump (s), via which partial flows of the heat exchange medium are conducted out of the contact tube-free space 8.
  • Figure 5 shows a cross section through a reactor module with a particularly favorable
  • Pipe arrangement The pipes are then arranged in rows offset from one another, the sealing distance s q transverse to the flow direction through the heat exchange medium to the pipe distance si longitudinal to the flow direction through the
  • Heat transfer media are in a ratio of 2 • V3.
  • the pipe distance s_ diagonally to the flow direction through the heat exchange medium is smaller than the pipe distance s q .
  • FIG. 6 shows an example of a reactor constructed by lining up three reactor modules 1. All pumps P and heat exchanger W are arranged on the same side of the reactor modules in a space-saving manner.
  • the invention ensures a constant flow of heat exchange medium over the reactor cross section. As a result, a uniform heat transfer coefficient to the reaction mixture flowing through the contact tubes and thus advantageous reaction control are achieved.
  • the design according to the invention reduces the pressure loss by up to half compared to conventional designs. This improves economy, since lower pump capacities or higher amounts of heat exchange medium are possible.
  • a further reduction in pressure loss is achieved through the particularly favorable, offset pipe division with the narrowest cross-section in the diagonal to the flow direction through the heat exchange medium.
  • Another advantage of the device according to the invention is its modular design, that is to say that reactors with any capacity can be made available by stringing together a corresponding number of reactor modules.

Abstract

The invention relates to a reactor module (1) comprising a contact tube bundle (2). A system for circulating a heat-exchange medium in the space surrounding the contact tubes comprises inlet and outlet lines (3, 4) at both ends of the reactor module (1), which module has a rectangular cross-section. Any number of reactor modules (1) can be connected in series and thus be combined to form reactors having a desired capacity.

Description

Reaktormodul mit einem Kontaktrohrbündel Reactor module with a contact tube bundle
Die Erfindung betrifft ein Reaktormodul mit einem Kontaktrohrbündel, einen Reaktor, aufgebaut aus zwei oder mehreren aneinandergereihten Reaktormodulen sowie eine Verwendung eines Reaktormoduls oder eines Reaktors zur Durchführung von Oxidationsreaktionen.The invention relates to a reactor module with a contact tube bundle, a reactor made up of two or more reactor modules arranged in a row, and the use of a reactor module or a reactor for carrying out oxidation reactions.
Die übliche Bauart gattungsgemäßer Reaktoren besteht aus einem, in der Regel zylinderförmigen Behälter, in dem ein Bündel, d.h. eine Vielzahl von Kontaktrohren in üblicherweise vertikaler Anordnung untergebracht ist. Diese Kontaktrohre, die gegebenenfalls geträgerte Katalysatoren enthalten können, sind mit ihren Enden in Rohrböden abdichtend befestigt und münden in jeweils eine am oberen bzw. am unteren Ende mit dem Behälter verbundene Haube. Über diese Hauben wird das die Kontaktrohre durchströmende Reaktionsgemisch zu- bzw. abgeführt. Durch den die Kontaktrohre umgebenden Raum wird ein Wärmetauschmittelkreislauf geleitet, um die Wärmebilanz, insbesondere bei Reaktionen mit starker Wärmetönung, auszugleichen.The usual design of generic reactors consists of a, usually cylindrical, container in which a bundle, i.e. a plurality of contact tubes is usually arranged in a vertical arrangement. These contact tubes, which may contain supported catalysts, are sealed with their ends in tube sheets and each open into a hood connected to the container at the upper or lower end. The reaction mixture flowing through the catalyst tubes is supplied or discharged via these hoods. A heat exchange medium circuit is passed through the space surrounding the contact tubes in order to balance the heat balance, in particular in the case of reactions with a strong exotherm.
Aus wirtschaftlichen Gründen werden Reaktoren mit einer möglichst großen Zahl von Kontaktrohren eingesetzt, wobei die Zahl der untergebrachten Kontaktrohre häufig im Bereich von 10000 bis 40000 liegt (vgl. DE-A-44 31 949).For economic reasons, reactors with the largest possible number of contact tubes are used, the number of contact tubes accommodated often being in the range from 10,000 to 40,000 (cf. DE-A-44 31 949).
Damit ist eine technische Obergrenze des Reaktordurchmessers und somit der Rohranzahl hinsichtlich Fertigung, Transport, Montage und Reaktionstechnik, insbesondere Gleichverteilung des Kühlmittels, erreicht. Da das in der Regel gasförmige Reaktionsgemisch üblicherweise unter Druck steht, haben sich für die den Gasraum begrenzenden Hauben am unteren und insbesondere oberen Ende des Behälters halbrunde Formen durchgesetzt. Für diese Haubenformen ist ein zylindrischer Aufbau des Reaktors Voraussetzung.A technical upper limit of the reactor diameter and thus the number of tubes with regard to production, transport, assembly and reaction technology, in particular uniform distribution of the coolant, has thus been reached. Since the reaction mixture, which is usually gaseous, is usually under pressure, the hoods delimiting the gas space have at the lower and in particular the upper end semi-circular shapes prevailed in the container. A cylindrical structure of the reactor is a prerequisite for these hood shapes.
Die zylindrische Reaktorgeometrie bringt den Nachteil mit sich, daß insbesondere bei dem technologisch besonders vorteilhaften Querstrom des Wärmetauschmittels zu den Kontaktrohren von einem Bereich außerhalb der Kontaktrohre zum kontaktrohrfreien Innenraum des Reaktors es die radial nach innen stark abnehmende Querschnittsfläche nicht erlaubt, den vollen Kühlmittelstrom bis ins Innere des Kontaktrohrbündels zu führen. Vielmehr muß über Bohrungen in den Umlenkplatten Kühlmittel axial abgeführt werden, um den Druckverlust und somit die Pumpenleistung in akzeptablen Grenzen zu halten.The cylindrical reactor geometry has the disadvantage that, in particular in the technologically particularly advantageous crossflow of the heat exchange medium to the contact tubes from an area outside the contact tubes to the contact tube-free interior of the reactor, the radially inwardly decreasing cross-sectional area does not allow the full coolant flow to the inside of the contact tube bundle. Rather, coolant must be removed axially through bores in the baffle plates in order to keep the pressure loss and thus the pump output within acceptable limits.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen konstanten Wärmetauschmittelstrom über den Reaktorquerschnitt zu ermöglichen.In contrast, it is an object of the invention to enable a constant heat exchange medium flow over the reactor cross section.
In einer Ausgestaltung ist es Aufgabe der Erfindung, einen Reaktor zur Verfügung zu stellen, dessen Kapazität an die Anforderungen des Einzelfalls angepaßt werden kann.In one embodiment, the object of the invention is to provide a reactor whose capacity can be adapted to the requirements of the individual case.
Die Lösung geht aus von einem Reaktormodul mit einem Kontaktrohrbündel, durch dessen die Kontaktrohre umgebenden Raum ein Wärmetauschmittelkreislauf geleitet wird mit Zu- bzw. Abführleitungen an beiden Enden des Reaktormoduls mit Mantelöffnungen für die Zu- bzw. Abführung eines Wärmetauschmittels im Querstrom zu den Kontaktrohren mittels einer oder mehrerer Pumpen, gegebenenfalls unter Überleitung des Wärmetauschmittels oder eines Teilstroms des Wärmetauschmittels über einen oder mehrere außenliegende Wärmetauscher, wobei das Wärmetauschmittel der unteren Leitung zugeführt und über die obere Leitung zur (zu den) Pumpe(n) zurückgeführt wird. Die Lösung ist dann dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktormodul einen rechteckigen Querschnitt aufweist.The solution is based on a reactor module with a contact tube bundle, through the space surrounding the contact tubes of which a heat exchange medium circuit is led with supply and discharge lines at both ends of the reactor module with jacket openings for the supply and discharge of a heat exchange medium in cross flow to the contact tubes by means of a or several pumps, if necessary by transferring the heat exchange medium or a partial flow of the heat exchange medium via one or more external heat exchangers, the heat exchange medium being fed to the lower line and being returned to the pump (s) via the upper line. The solution is then characterized in that the reactor module has a rectangular cross section.
Es wurde gefunden, daß einen unter Druck stehenden Gasraum begrenzende Hauben auch in halbzylindrischer Geometrie ausgebildet werden können, wie sie zur beidseitigen Begrenzung eines Behälters mit rechteckigem Querschnitt notwendig ist.It has been found that a hood delimiting a pressurized gas space can also be designed in a semi-cylindrical geometry, as used for both sides of a container with a rectangular cross-section is necessary.
In bevorzugter Weise sind im Reaktorraum an zwei gegenüberliegenden, zu den Kontaktrohren parallelen Reaktorseitenflächen kontaktrohrfreie Räume angeordnet, die sich bevorzugt über die gesamte Reaktorhöhe erstrecken, sowie eine oder mehrere Umlenkplatten, die in den kontaktrohrfreien Räumen alternierend Durchschnittsquerschnitte freilassen. Durch diese Ausgestaltung kann der Wärmetauschmittelstrom gleichmäßig, in gewünschter Weise, um die Kontaktrohre geführt werden.Contact tube-free spaces are preferably arranged in the reactor space on two opposite reactor side surfaces parallel to the contact tubes, which preferably extend over the entire reactor height, and one or more baffle plates which alternately leave average cross sections in the contact tube-free spaces. With this configuration, the heat exchange medium flow can be routed uniformly, in the desired manner, around the contact tubes.
Die kontaktrohrfreien Räume sind bevorzugt an den beiden breiten Reaktorseitenflächen angeordnet.The contact tube-free spaces are preferably arranged on the two wide reactor side surfaces.
Bezüglich der relativen Abmessungen von Länge zur Breite des Reaktormoduls ist ein Verhältnis von 1:1 bis 10:1 vorteilhaft, bevorzugt von 3:1 bis 6:1, besonders bevorzugt von 5:1. Für die Reaktorhöhe sind relative Werte von 1,5 m bis 7 m bevorzugt.With regard to the relative dimensions of length to width of the reactor module, a ratio of 1: 1 to 10: 1 is advantageous, preferably from 3: 1 to 6: 1, particularly preferably from 5: 1. Relative values of 1.5 m to 7 m are preferred for the reactor height.
Bevorzugt ist eine ungerade Anzahl von Umlenkplatten vorgesehen; dadurch erfolgt die Zu- und Abführung des Wärmetauschmittels auf der selben Seite des Reaktormoduls. Besonders bevorzugt sind 1, 3 oder 5 Umlenkplatten vorgesehen.An odd number of deflection plates is preferably provided; this means that the heat exchange medium is supplied and removed on the same side of the reactor module. 1, 3 or 5 deflection plates are particularly preferably provided.
Vorteilhaft ist es, die Pumpe(n) sowie gegebenenfalls den(die) außenliegende(n) Wärmetauscher auf derselben, bevorzugt breiten, Seite des Reaktormoduls anzuordnen. Damit wird eine besonders raumsparende Anordnung erreicht. Durch den jeweiligen Reaktionsverlauf können unterschiedliche Wärmeprofile gefordert sein; eine Anpassung an die Anforderungen des Einzelfalls ist dadurch möglich, daß der Wärmetauschmittelstrom mittels einem oder mehreren Bypässen durch die Umlenkplatten in deren rohrfreien Bereichen, mit festen oder regelbaren Durchtrittsöffnungen, angepaßt wird. Eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante ist ein Reaktormodul mit Zwischenwänden in den Zu- und Abfuhrleitungen, die in der Zuführleitung jeweils eine untere äußere Vorkammer und eine untere innere Vorkammer sowie in der Abführleitung eine obere äußere Vorkammer und eine obere innere Vorkammer ausbilden. Das Wärmetauschmittel wird der unteren äußeren Vorkammer, über einen Bereich zwischen Zuleitung und Abführleitung der oberen inneren Vorkammer, über deren Mantelöffnung dem die Kontaktrohre umgebenden Reaktorraum, anschließend über eine Mantelöffnung der unteren inneren Vorkammer, über den Bereich zwischen Zu- und Abfuhrleitung der oberen äußeren Vorkammer und schließlich über die Abführ- leitung zur (zu den) Pumpe(n) zurückgeführt. Dadurch wird, ohne Veränderung der üblichen Pumpenanordnung, die besonders günstige Gleichstromführung von Wärmetauschmittel und Reaktionsgemisch ermöglicht.It is advantageous to arrange the pump (s) and, if appropriate, the external heat exchanger (s) on the same, preferably wide, side of the reactor module. A particularly space-saving arrangement is thus achieved. Different heat profiles may be required due to the course of the reaction; an adaptation to the requirements of the individual case is possible in that the heat exchange medium flow is adapted by means of one or more bypasses through the deflection plates in their tube-free areas, with fixed or controllable through openings. A particularly preferred embodiment variant is a reactor module with intermediate walls in the supply and discharge lines, which each form a lower outer prechamber and a lower inner prechamber in the feed line and an upper outer prechamber and an upper inner prechamber in the discharge line. The heat exchange medium becomes the lower outer prechamber, via an area between the supply line and the discharge line of the upper inner prechamber, via its jacket opening to the reactor chamber surrounding the contact tubes, then via a jacket opening of the lower inner antechamber, via the area between the supply and discharge lines of the upper outer chamber and finally returned via the discharge line to the pump (s). This makes it possible, without changing the conventional pump arrangement, to carry out the particularly favorable direct current flow of heat exchange medium and reaction mixture.
Eine Anpassung an das jeweils geforderte Temperaturprofil kann im Falle von Reaktoren mit Gleichstromfahrweise durch eine an der dem kontaktrohrfreien Raum zugeordneten breiten Reaktorseite anliegenden Außenkammer mit Öffnungen zu dem das Kontaktrohrbündel umgebenden Reaktorraum sowie mit festen oder regelbaren Durchtrittsöffnungen für das Wärmetauschmittel in der Außenkammer erreicht werden.In the case of reactors with a DC mode of operation, an adaptation to the respectively required temperature profile can be achieved by an outer chamber adjacent to the wide reactor side assigned to the contact tube-free space with openings to the reactor space surrounding the contact tube bundle and with fixed or controllable through openings for the heat exchange medium in the outer chamber.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht eine Rohrteilung vor, wonach die Kontaktrohre des Kontaktrohrbündels in gegeneinander versetzten Reihen angeordnet sind, wobei das Verhältnis des Rohrabstands sq quer zur Anströmrichtung durch das Wärmetauschmittel zum Rohrabstand s- längs zur Anströmrichtung durch das Wärmetauschmittel vorzugsweise größer oder gleich als 2 • V3 , besonders bevorzugt gleich 2 • 3 . Eine derartige Rohranordnung setzt dem anströmenden Wärmetauschmittel einen geringeren Widerstand entgegen; entsprechend ist der Druckverlust bei gleichzeitig höherer Wärmeübergangszahl geringer.A particularly advantageous embodiment provides for a pipe division, according to which the contact tubes of the contact tube bundle are arranged in rows which are offset with respect to one another, the ratio of the tube distance s q transversely to the direction of flow through the heat exchange medium to the tube distance s longitudinally to the direction of flow through the heat exchange medium preferably being greater than or equal to 2 • V3, particularly preferably equal to 2 • 3. Such a tube arrangement opposes the inflowing heat exchange medium with a lower resistance; the pressure loss is correspondingly lower with a higher heat transfer coefficient.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Reaktor, der aus zwei oder mehreren, in Richtung der Kontaktrohrlängsachsen, an den schmalen Seitenflächen, aneinander gereihten Reaktormodulen aufgebaut ist. Derartige Reaktoren kennzeichnen sich durch eine flexible Kapazität, die an die konkreten Anforderungen angepaßt werden können. Durch Aneinanderreihen an den schmalen Seitenflächen der Reaktormodule können die den Gasraum abschließenden halbzylindrischen Hauben eine deren ebenen Seitenflächen, die entsprechend mit Durchtrittsöffhungen versehen werden, verlängert werden. Eine Obergrenze für die Kapazität von Reaktoren ist damit aufgehoben.The invention also relates to a reactor which is constructed from two or more reactor modules arranged in a row in the direction of the longitudinal axis of the contact tube and on the narrow side surfaces. Such reactors are characterized through a flexible capacity that can be adapted to the specific requirements. By lining up the narrow side surfaces of the reactor modules, the semi-cylindrical hoods that close the gas space can be extended to one of their flat side surfaces, which are provided with through openings accordingly. An upper limit for the capacity of reactors is thus lifted.
Der Wärmetauschmittelkreislauf kann gleichermaßen der Abführung wie auch der Zuführung von Wärme aus bzw. zum die Kontaktrohre durchströmenden Reaktionsgemisch dienen; das erfindungsgemäße Reaktormodul oder der erfindungsgemäße Reaktor können somit für exotherme wie auch für endotherme Reaktionen eingesetzt werden. Sie sind besonders zur Durchführung von Oxidationsreaktoren, insbesondere zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid, Malleinsäureanhydrid, Glyoxal, (Meth)acrolein oder (Meth)acrylsäure geeignet.The heat exchange medium circuit can be used for the removal as well as the supply of heat from or to the reaction mixture flowing through the contact tubes; the reactor module according to the invention or the reactor according to the invention can thus be used for both exothermic and endothermic reactions. They are particularly suitable for carrying out oxidation reactors, in particular for the preparation of phthalic anhydride, maleic anhydride, glyoxal, (meth) acrolein or (meth) acrylic acid.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:The invention is explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments and a drawing. The individual shows:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Reaktormoduls gemäß der Erfindung,FIG. 1 shows a schematic illustration of a reactor module according to the invention,
Figur 2 einen Längsschnitt durch ein Reaktormodul gemäß der Erfindung,FIG. 2 shows a longitudinal section through a reactor module according to the invention,
Figur 3 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktormoduls,FIG. 3 shows a longitudinal section through a preferred embodiment of a reactor module according to the invention,
Figur 4 einen Längsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktormoduls,FIG. 4 shows a longitudinal section through a further preferred embodiment of a reactor module according to the invention,
Figur 5 eine bevorzugte Anordnung der Kontaktrohre undFigure 5 shows a preferred arrangement of the contact tubes and
Figur 6 einen beispielhaft aus drei Reaktormodulen aufgebauten Reaktor. Figur 1 zeigt ein Reaktormodul 1 mit rechteckigem Querschnitt mit einem vertikalen Kontaktrohrbündel 2, mit Zuführleitung 3 und Abführleitung 4 für das Wärmetauschmittel sowie mit Mantelöffnungen 5, 6 zum Reaktormodul 1. An den einander gegenüber liegenden breiten Seitenflächen des Reaktormoduls sind kontaktrohrfreie Räume 7, 8 zum Verteilen bzw. Sammeln des Wärmetauschmittels vorgesehen. Die Umlenkplatten 9 bewirken eine mäanderf 'rmige Führung des Wärmetauschmittels. Das Gas oder Gasgemisch G wird in den Gas-Eintrittsraum 21 eingeleitet, durchströmt die Kontaktrohre 2 und wird anschließend über den Gas- Austrittssammler 22 abgeleitet. Pumpen P und Wärmetauscher W sind auf der selben breiten Seite des Reaktormoduls 1 angeordnet.FIG. 6 shows a reactor constructed by way of example from three reactor modules. Figure 1 shows a reactor module 1 with a rectangular cross section with a vertical contact tube bundle 2, with feed line 3 and discharge line 4 for the heat exchange medium and with jacket openings 5, 6 to the reactor module 1. On the opposite wide side surfaces of the reactor module there are contact tube-free spaces 7, 8 for Distributing or collecting the heat exchange medium provided. The baffles 9 cause mäanderf '-shaped guide the heat exchange medium. The gas or gas mixture G is introduced into the gas inlet space 21, flows through the contact tubes 2 and is then discharged via the gas outlet collector 22. Pumps P and heat exchanger W are arranged on the same wide side of the reactor module 1.
In der in Figur 2 im Längsschnitt dargestellten besonderen Ausführungsform sind zusätzlich in den Umlenkplatten 9, in deren kontaktrohrfreien Bereichen, Bypässe für den Wärmetauschmittelstrom dargestellt, die regelbare Durchtrittsöffnungen 10 oder feste Durchtrittsöffnungen 11 für das Wärmetauschmittel freigeben.In the particular embodiment shown in longitudinal section in FIG. 2, bypasses for the flow of heat exchange medium are additionally shown in the baffle plates 9, in their contact tube-free regions, which open controllable through openings 10 or through openings 11 for the heat exchange medium.
Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausfuhrungsvariante, mit Gleichstromführung von Wärmetauschmittel und Gasgemisch G. Dazu sind mittels Zwischenwänden 12 in der Zu- und Abführleitung 3, 4 jeweils eine untere äußere Vorkammer 13, eine untere innere Vorkammer 14 sowie eine obere äußere Vorkammer 15 und eine obere innere Vorkammer 16 ausgebildet. Das Wärme- tauschmittel wird danach aus der Zuleitung 3 in die untere äußere Vorkammer 13, über einen Bereich zwischen Zu- und Ableitung 3, 4 der oberen inneren Vorkammer 16, über die Mantelöffnung 5 dem die Kontaktrohre umgebenden Raum zugeführt und anschließend über die Mantelöffnung 6, die untere innere Vorkammer 14, einen Bereich zwischen Zu- und Ableitung 3, 4 und die obere äußere Vorkammer 15 zur (zu den) Pumpe(n) abgeführt. Bevorzugt kann an den geteilten Vorkammern 13 bis 16 gegenüberliegenden breiten Reaktoraußenseite eine Außenkammer 17 angeordnet sein, mit Öffnungen 18, 19 zum Reaktormodul, bzw. zum kontaktrohrfreien Raum 8. Über die Außenkammer 17 kann ein Teil des Wärmetauschmittelstroms kurzgeschlossen werden, wobei der Wärmetauschmittelstrom über feste oder regelbare Durchtrittsöffnungen 20 eingestellt werden kann. In der in Figur 4 im Längsschnitt dargestellten besonderen Ausfuhrungsvariante sind an der(den) Pumpe(n) gegenüber liegenden breiten Seite des Reaktormoduls 1 ein oder mehrere Wärmetauscher W angeordnet, über die Teilströme des Wärmetauschmittels aus dem kontaktrohrfreien Raum 8 geleitet werden.FIG. 3 shows a longitudinal section through a preferred embodiment variant, with direct current flow of heat exchange medium and gas mixture G. For this purpose, a lower outer prechamber 13, a lower inner prechamber 14 and an upper outer prechamber 15 are provided by means of partition walls 12 in the supply and discharge lines 3, 4 and an upper inner prechamber 16 is formed. The heat exchange medium is then fed from the feed line 3 into the lower outer prechamber 13, via a region between the feed and discharge lines 3, 4 of the upper inner prechamber 16, via the jacket opening 5 to the space surrounding the contact tubes and then via the jacket opening 6 , the lower inner prechamber 14, an area between the supply and discharge lines 3, 4 and the upper outer prechamber 15 to the pump (s). Preferably, an outer chamber 17 can be arranged on the divided antechambers 13 to 16 opposite the wide reactor outside, with openings 18, 19 to the reactor module or to the space 8 free of contact tubes or adjustable passage openings 20 can be set. In the particular embodiment variant shown in longitudinal section in FIG. 4, one or more heat exchangers W are arranged on the wide side of the reactor module 1 opposite the pump (s), via which partial flows of the heat exchange medium are conducted out of the contact tube-free space 8.
Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch ein Reaktormodul mit besonders günstigerFigure 5 shows a cross section through a reactor module with a particularly favorable
Rohranordnung. Danach sind die Rohre in gegeneinander versetzten Reihen angeordnet, wobei der Robrabstand sq quer zur Anströmrichtung durch das Wärmertauschmittel zum Rohrabstand si längs zur Anströmrichtung durch dasPipe arrangement. The pipes are then arranged in rows offset from one another, the sealing distance s q transverse to the flow direction through the heat exchange medium to the pipe distance si longitudinal to the flow direction through the
Wärmedurchmittel zueinander im Verhältnis 2 • V3 stehen. Entsprechend ist dann der Rohrabstand s_ diagonal zur Anströmrichtung durch das Wärmetauschmittel kleiner als der Rohrabstand sq.Heat transfer media are in a ratio of 2 • V3. Correspondingly, the pipe distance s_ diagonally to the flow direction through the heat exchange medium is smaller than the pipe distance s q .
Figur 6 zeigt beispielhaft einen durch Aneinanderreihen von drei Reaktormodulen 1 aufgebauten Reaktor. In platzsparender Weise sind alle Pumpen P und Wärmetauscher W auf der selben Seite der Reaktormodule angeordnet.FIG. 6 shows an example of a reactor constructed by lining up three reactor modules 1. All pumps P and heat exchanger W are arranged on the same side of the reactor modules in a space-saving manner.
Durch die Erfindung wird ein konstanter Wärmetauschmittelstrom über den Reak- torquerschnitt gewährleistet. Dadurch wird eine gleichmäßige Wärmeübergangszahl zum die Kontaktrohre durchströmenden Reaktionsgemisch und somit eine vorteilhafte Reaktionsfuhrung erreicht.The invention ensures a constant flow of heat exchange medium over the reactor cross section. As a result, a uniform heat transfer coefficient to the reaction mixture flowing through the contact tubes and thus advantageous reaction control are achieved.
Durch die erfindungsgemäße Bauform wird der Druckverlust um bis zur Hälfte gegenüber konventionellen Bauformen reduziert. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit verbessert, da niedrigere Pumpenleistungen bzw. höhere Wärmetauschmittelum- wälzmengen möglich sind.The design according to the invention reduces the pressure loss by up to half compared to conventional designs. This improves economy, since lower pump capacities or higher amounts of heat exchange medium are possible.
Eine weitere Reduzierung des Druckverlustes wird durch die besonders günstige, versetzte Rohrteilung, mit engstem Querschnitt in der Diagonalen zur Anströmrich- tung durch das Wärmetauschmittel, erreicht. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist deren modularer Aufbau, das heißt, daß Reaktoren mit beliebiger Kapazität durch Aneinanderreihen einer entsprechenden Anzahl von Reaktormodulen zur Verfügung gestellt werden können. A further reduction in pressure loss is achieved through the particularly favorable, offset pipe division with the narrowest cross-section in the diagonal to the flow direction through the heat exchange medium. Another advantage of the device according to the invention is its modular design, that is to say that reactors with any capacity can be made available by stringing together a corresponding number of reactor modules.

Claims

Patentansprüche claims
1. Reaktormodul (1) mit einem Kontaktrohrbündel (2), durch dessen die Kontaktrohre umgebenden Raum ein Wärmetauschmittelkreislauf geleitet wird mit Zu- bzw. Abführleitungen (3, 4) an beiden Enden des Reaktormoduls mit Mantelöffnungen (5,6) für die Zu- bzw. Abführung eines Wärmetauschmittels im Querstrom zu den Kontaktrohren mittels einer oder mehrerer Pumpen (P), gegebenenfalls unter Überleitung des Wärmetauschmittels oder eines Teilstroms des Wärmetauschmittels über einen oder mehrere außenliegende Wärmetauscher (W) wobei das Wärmetauschmittel der unteren Leitung (3) zugeführt und über die obere Leitung (4) zur (zu den) Pumpe(n) (P) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktormodul (1) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.1. Reactor module (1) with a contact tube bundle (2), through the space surrounding the contact tubes of which a heat exchange medium circuit is passed with feed and discharge lines (3, 4) at both ends of the reactor module with jacket openings (5, 6) for the feed or discharge of a heat exchange medium in cross flow to the contact tubes by means of one or more pumps (P), if necessary by transferring the heat exchange medium or a partial flow of the heat exchange medium via one or more external heat exchangers (W), the heat exchange medium being fed to the lower line (3) and via the upper line (4) is returned to the pump (s) (P), characterized in that the reactor module (1) has a rectangular cross section.
2. Reaktormodul (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch im Reaktorraum an zwei gegenüberliegenden, zu den Kontaktrohren parallelen Reaktorseitenflächen angeordneten kontaktrohrfreien Räumen (7,8), die sich bevorzugt über die gesamte Reaktorhöhe erstrecken, sowie durch eine oder mehrere Umlenkplatten (9), die in den Räumen (7,8) alternierend Durchtrittsquerschnitte freilassen.2. Reactor module (1) according to claim 1, characterized by contact tube-free spaces (7, 8) arranged in the reactor space on two opposite reactor side faces parallel to the contact tubes, which preferably extend over the entire reactor height, and by one or more baffle plates (9) that alternately leave passage cross-sections in the rooms (7,8).
3. Reaktormodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kontaktrohrfreien Räume (7, 8) an den beiden breiten Reaktorseitenflächen angeordnet sind.3. Reactor module according to claim 2, characterized in that the contact tube-free spaces (7, 8) are arranged on the two wide reactor side surfaces.
4. Reaktormodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Verhältnis von Länge zu Breite von 1 :1 bis 10:1, bevorzugt von 3:1 bis 6:1, besonders bevorzugt von 5:1. 4. Reactor module (1) according to one of claims 1 to 3, characterized by a ratio of length to width from 1: 1 to 10: 1, preferably from 3: 1 to 6: 1, particularly preferably from 5: 1.
5. Reaktormodul (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine ungerade Anzahl von Umlenkplatten (9), bevorzugt 1 , 3 oder 5 Umlenkplatten (9).5. Reactor module (1) according to one of claims 2 to 4, characterized by an odd number of deflection plates (9), preferably 1, 3 or 5 deflection plates (9).
6. Reaktormodul (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe(n) sowie gegebenenfalls der (die) außenliegende(n) Wärmetauscher auf derselben, bevorzugt breiten, Seite des Reaktormoduls (1) angeordnet sind.6. Reactor module (1) according to claim 5, characterized in that the pump (s) and optionally the (the) external (s) heat exchanger on the same, preferably wide, side of the reactor module (1) are arranged.
7. Reaktormodul (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Bypässe mit festen (11) oder regelbaren (10)7. reactor module (1) according to any one of claims 2 to 6, characterized by one or more bypasses with fixed (11) or controllable (10)
Durchtrittsöffnungen, durch die Umlenkplatten (9), in deren rohrfreien Bereichen.Through openings, through the baffle plates (9), in their tube-free areas.
8. Reaktormodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zu- und Abfuhrleitungen (3, 4) Zwischenwände (12) vorgesehen sind, die in der Zuführleitung (3) jeweils eine untere äußere Vorkammer (13) und eine untere innere Vorkammer (14) sowie in der Abfuhrleitung (4) eine obere äußere Vorkammer (15) und eine obere innere Vorkammer (16) ausbilden, und daß das Wärmetauschmittel der unteren äußeren Vorkammer (13), über einen Bereich zwischen Zuleitung (3) und Abführleitung (4) der oberen inneren Vorkammer8. Reactor module (1) according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the supply and discharge lines (3, 4) intermediate walls (12) are provided, each of which has a lower outer prechamber (13) in the supply line (3) ) and a lower inner prechamber (14) and in the discharge line (4) form an upper outer prechamber (15) and an upper inner prechamber (16), and that the heat exchange medium of the lower outer prechamber (13) has an area between the feed line (3) and discharge line (4) of the upper inner prechamber
(16), über deren Mantelöffnung (6) dem die Kontaktrohre (2) umgebenden Reaktorraum, anschließend über die Mantelöffnung (5) der unteren inneren Vorkammer (14), über den Bereich zwischen Zu- und Abführleitung (3, 4) der oberen äußeren Vorkammer (15) und schließlich über die Abführleitung (4) zur (zu den) Pumpe(n) zurückgeführt wird.(16), via the jacket opening (6) of the reactor chamber surrounding the catalyst tubes (2), then via the jacket opening (5) of the lower inner prechamber (14), via the area between the feed and discharge line (3, 4) of the upper outer Antechamber (15) and finally via the discharge line (4) to the pump (s) is returned.
9. Reaktormodul (1) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine an der dem kontaktrohrfreien Raum (8) zugeordneten breiten Reaktorseite anliegenden Außenkammer (17) mit Öffnungen (18, 19) zu dem das Kontaktrohrbündel (2) umgebenden Reaktorraum sowie mit festen oder regelbaren Durchtrittsöffnungen (20) für das Wärmetauschmittel in der Außenkammer (17). 9. Reactor module (1) according to claim 8, characterized by an outer chamber (17) adjacent to the contact tube-free space (8) associated with the wide reactor side with openings (18, 19) to the reactor tube bundle (2) surrounding the reactor space and with fixed or controllable ones Passage openings (20) for the heat exchange medium in the outer chamber (17).
10. Reaktormodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktrohre des Kontaktrohrbündels (2) in gegeneinander versetzten Reihen angeordnet sind, wobei das Verhältnis des Rohrabstands sq quer zur Anströmrichtung durch das Wärmetauschmittel zum Rohrabstand S| längs zur10. Reactor module (1) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the contact tubes of the contact tube bundle (2) are arranged in mutually offset rows, the ratio of the tube spacing s q transverse to the direction of flow through the heat exchange medium to the tube spacing S | along to
Anströmrichtung durch das Wärmetauschmittel vorzugsweise größer oder gleich als 2 • V3 , besonders bevorzugt gleich 2 • V3 ist.Flow direction through the heat exchange medium is preferably greater than or equal to 2 • V3, particularly preferably equal to 2 • V3.
11. Reaktor, aufgebaut aus zwei oder mehreren, in Richtung der Kontaktrohrlängsachsen, an den schmalen Seitenflächen aneinandergereihten11. Reactor, made up of two or more, lined up in the direction of the longitudinal axis of the contact tube, on the narrow side surfaces
Reaktormodulen (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10.Reactor modules (1) according to one of claims 7 to 10.
12. Verwendung eines Reaktormoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder eines Reaktors nach Anspruch 11 zur Durchführung von Oxidationsreaktionen, insbesondere zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid,12. Use of a reactor module according to one of claims 1 to 10 or a reactor according to claim 11 for carrying out oxidation reactions, in particular for the production of phthalic anhydride, maleic anhydride,
Glyoxal, (Meth)acrolein oder (Meth)acrylsäure. Glyoxal, (meth) acrolein or (meth) acrylic acid.
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