WO2014131803A1 - Vorrichtung zur befüllung insbesondere von radialreaktoren mit katalysatormaterial - Google Patents

Vorrichtung zur befüllung insbesondere von radialreaktoren mit katalysatormaterial Download PDF

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Günter VÖLKER
Joachim Johanning
Reinhard Michel
Michele Marigo
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Thyssenkrupp Industrial Solutions Gmbh
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    • B65G69/04—Spreading out the materials conveyed over the whole surface to be loaded; Trimming heaps of loose materials
    • B65G69/0458—Spreading out the materials conveyed over the whole surface to be loaded; Trimming heaps of loose materials with rotating means, e.g. tables, arms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01J8/0045—Feeding of the particles in the reactor; Evacuation of the particles out of the reactor by means of a rotary device in the flow channel

Definitions

  • the invention is directed to a device of the type specified in the preamble of claim 1, as described above in DE 35 42 340 AI.
  • Central particle feeds to a rotating element above the maximum filling level of containers are e.g. Also known from US 5,687,780, US 2010/0019952 AI or EP 1 152 967 Bl.
  • ammonia synthesis reactors which contain up to four catalyst beds depending on the synthesis concept.
  • the reactors consist of cylindrical pressure vessels and relatively expensive internal structures, the converter inserts for receiving the catalyst beds and optionally heat exchangers. Because of the high pressure level (up to more than 200 bar), the diameters of the pressure vessels are kept as small as possible and the catalyst beds are arranged along the vessel axes with each other. As a result of this arrangement, the accessibility of the catalyst beds farther away from the apparatus head is significantly reduced and the filling with the catalyst is made more difficult.
  • the catalyst beds Due to the different plant capacities and process conditions, the catalyst beds have very different dimensions. Because of the efficiency in terms of size and pressure loss today is the radial design prevailing, ie. the catalyst beds have the shape of hollow cylinders and are flowed through in the radial direction. In continuous pant loading, where the reactor beds are filled with catalyst via one or more hoses, only average bulk densities below the required value for the synthesis reaction are achieved. Therefore, so far, the catalyst beds are filled in the batch charging process, ie catalyst layers of 250 to 300 mm are filled with a hose and then by means of concrete vibrators / vibrators to the required bulk density of at least 2.8 kg / 1 (oxidized catalyst) or 2, 3 kg / 1 compressed in prereduced (specific lighter) catalysts. Vibrating a layer may take over an hour, depending on bed geometry. This procedure is acceptable for new plants, since the work takes place during commissioning preparation (precommissioning phase) and does not lie on the deadline-critical path.
  • the desired bulk density is achieved in a continuous loading process without intermediate compression step and the catalyst can thus be filled correspondingly faster.
  • this object is achieved according to the invention in that the disk-shaped element is provided with a drive with adjustable speed and / or direction of rotation.
  • the disk is acted upon, for example via a hose system from a above the reactor to be filled storage tank with catalyst, speed and direction of rotation of the disc, as stated above, are adjustable to about shadow effects behind reactor internals, such as the Thermowellrohr (or Guide Pipes) avoid or reduce.
  • reactor internals such as the Thermowellrohr (or Guide Pipes) avoid or reduce.
  • the continuous adjustment of the rotational speed is expedient to adjust the speed per level height of the bed to be filled, so that the particle trajectory is always in the middle of the reactor ring at the current level, ie. if the level is low, set a lower speed of rotation, and if the level of the catalyst is higher, set a larger one.
  • This condition is due to the fact that it is not possible to fill the entire bed area with particles at each level simultaneously because, for example, the area directly around the central tube of each bed would require an infinitely steep trajectory (trajectory) which is physically impossible, and the particle trajectory for the outer reactor annulus area would always have to be adjusted with the fill level at the same time.
  • the disc-shaped element is formed of two half-discs provided with the webs, wherein in addition to the radially longest disc sector of a half-disc, the radially shortest disc sector of the other half disc is positioned.
  • each half-disk is formed from six to twelve limited by the web disc sectors.
  • a distribution cone is positioned in the disk center, wherein the webs in their radial extent to the distribution cone have an equal distance.
  • a distribution cone there may be provided another component, such as a ball section.
  • the webs in the radial extent in the direction of the center of the disc can have different lengths, which may be particularly useful if the particle density in the individual disc segments should be different.
  • the invention also provides that the disc is provided with a drive with adjustable speed and / or direction of rotation.
  • the disk-shaped throwing element is funnel-shaped inclined from the disk center to the outside, being provided in a further embodiment of the invention can be that the angle of inclination relative to the horizontal in the range of about 15 ° to 30 °.
  • FIG. 1 is a simplified perspective view of a first embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 2 is a plan view of the device according to arrow II in Fig. 1,
  • Fig. 3 is a section along line III-III in Fig. 2,
  • FIG. 5 is a side view of the device according to arrow V in FIG. 4th
  • the generally designated 1 device for filling a container, not shown in the figures, for. B. with catalyst granules, has a rotating element 2, which is disc-shaped and has a rotary drive, said rotary drive is also not shown in detail in the figures.
  • the rotating, substantially disk-shaped element 2 has on its upper side radially aligned webs 3, which are seen from the central axis of the disk outwardly different in length and have comparatively similar distances over the circumference, so that individual, by the webs 3 and the disc 2 formed Throw disk sectors 6 are formed.
  • disc halves each have a number of disc sectors 6, which are configured from the size dimension on the disc half to from a largest to a smallest dimension, such that the smallest half disc sector 6b to the largest half-plate sector 6a of the adjacent half of the disc applies.
  • each disc half of eight different disc sectors is formed.
  • the granule feed is also indicated in the figures only by a particle feed 4, wherein in addition a central center cone 5 is additionally arranged in the middle of the pane.
  • This cone can also have a different design, be designed as a hemisphere od.
  • the end faces of the webs 3 to the cone 5 at the same distance, so that there forms a Auf scheme for the material to be distributed.
  • the disc can be formed continuously adjustable both in their direction and in their rotational speed.
  • the disk-shaped element 2a is funnel-shaped outward, wherein the inclination angle of the funnel z. B. may be 20 °, without the invention being limited to this angular size. Otherwise, the same elements of the device are effectively designated by the same numeral, as in the embodiment of FIGS. 1 to 3.
  • the invention is not limited to the embodiments described, in particular not to the illustrated number of disk segments, the height and length of the segment-separating webs 3 and the surface design of the disc 2 and 2a.

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Abstract

Mit einer Vorrichtung (1) zur Befüllung eines Behälters mit Partikeln mit Ausbildung einer im Wesentlichen gleichmäßigen Befüllungsdichte mit gleichmäßiger Befülloberfläche, insbesondere zur Befüllung von Radialreaktoren bei einem Ammoniakkonverter mit Katalysator, wobei eine zentrische Partikelzuführung (4) zu einem rotierenden Element (2) oberhalb der maximalen Befüllebene im Behälter vorgesehen ist und das rotierende Element (2) im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist mit senkrecht zur Scheibenoberfläche stehen- den Stegen (3), wobei die Länge der Stege (3) von einem Maximalwert in radialer Richtung stufenweise bis zu einem Minimalwert sich über den Scheibenumfang ebenso verringert wie die zugeordnete Radialausdehnung des scheibenförmigen Elementes zur Bildung unterschiedlicher Wurfscheibensektoren (6), soll eine Lösung geschaffen werden, mit der mit vergleichsweise einfachen Mitteln die kontinuierliche und schnelle Befüllung von Katalysatorbetten unter Erreichung der notwendigen Packungsdichte und der notwendigen Gleichmäßigkeit der Katalysatorschüttung erreicht wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das scheibenförmige Element (2) mit einem Antrieb mit einstellbarer Drehzahl und/oder Drehrichtung versehen ist.

Description

Vorrichtung zur Befüllung insbesondere von
Radialreaktoren mit Katalysatormaterial
Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung, so wie sie etwa in der DE 35 42 340 AI vorbeschrieben ist.
Zentrale Partikelzuführungen zu einem rotierenden Element oberhalb der maximalen Befüllebene von Behältern sind z.B. auch aus der US 5 687 780, der US 2010/0019952 AI oder der EP 1 152 967 Bl bekannt.
Es sind Ammoniak-Synthesereaktoren bekannt, die je nach Synthesekonzept bis zu vier Katalysatorbetten enthalten. Die Reaktoren bestehen aus zylindrischen Druckbehältern und verhältnismäßig aufwendigen Innenkonstruktionen, den Konvertereinsätzen zur Aufnahme der Katalysatorbetten und ggf. Wärmeüberträgern. Wegen des hohen Druckniveaus (bis über 200 bar) werden die Durchmesser der Druckbehälter möglichst klein gehalten und die Katalysatorbetten entlang der Behälterachsen untereinander angeordnet. Diese Anordnung hat zur Folge, dass die Zugänglichkeit der weiter vom Apparatekopf entfernten Katalysatorbetten deutlich eingeschränkt ist und die Befüllung mit dem Katalysator erschwert wird.
Bedingt durch die unterschiedlichen Anlagenkapazitäten und verfahrenstechnischen Gegebenheiten haben die Katalysatorbetten sehr verschiedene Abmessungen. Wegen der Effizienz bezüglich der Baugröße und des Druckverlustes ist heute die radiale Bauweise vorherrschend, d .h . die Katalysatorbetten haben die Gestalt von Hohlzylindern und werden in radialer Richtung durchströmt. Bei kontinuierlichem Hose-Loading, bei dem die Reaktorbetten über einen oder mehrere Schläuche mit Katalysator befüllt werden, werden nur durchschnittliche Schüttdichten unterhalb des geforderten Wertes für die Synthesereaktion erreicht. Daher werden bisher die Katalysatorbetten im diskontinuierlichen Schichtladeverfahren gefüllt, d.h. Katalysatorschichten von 250 bis 300 mm werden mit einem Schlauch eingefüllt und anschließend mittels Betonrüttlern/ Vibratoren auf die erforderliche Schüttdichte von mindestens 2,8 kg/1 (oxidier- ter Katalysator) bzw. 2,3 kg/1 bei vorreduzierten (spezifisch leichteren) Katalysatoren verdichtet. Das Vibrieren einer Schicht kann je nach Bettgeometrie über eine Stunde dauern. Diese Vorgehensweise ist für Neuanlagen vertretbar, da die Arbeiten während der Inbetriebnahmevorbereitung (Precommissioning- Phase) stattfinden und nicht auf dem terminkritischen Pfad liegen.
Bei einem Katalysatorwechsel finden sich die Katalysatorwechselarbeiten jedoch meist auf dem zeitkritischen Pfad des Anlage-Stillstandes und können für die Länge des Stillstandes ausschlaggebend sein.
Mit dem sogenannten Dense-Loading-Verfahren wird die angestrebte Schüttdichte in einem kontinuierlichen Beladungsverfahren ohne zwischengeschalteten Verdichtungsschritt erreicht und der Katalysator kann damit entsprechend schneller eingefüllt werden.
Der Unterschied kann in den erreichbaren Schüttdichten zwischen Hose- und Dense-Loading damit erklärt werden, dass beim Hose-Loading viele Partikel in kurzer Zeit auf eine kleine Fläche fallen, wobei sich die Partikel bei der Anordnung in eine dichte Packungsstruktur gegenseitig behindern, wogegen beim Dense-Loading viele Partikel in kurzer Zeit auf eine größere Fläche fallen, wodurch die Partikel genug Platz und Zeit haben, sich in eine dichtere Packungsstruktur anzuordnen.
Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, mit vergleichsweise einfachen Mitteln die kontinuierliche und schnelle Befüllung von Katalysator- betten unter Erreichung der notwendigen Packungsdichte und der notwendigen Gleichmäßigkeit der Katalysatorschüttung zu erreichen.
Mit einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass das scheibenförmige Element mit einem Antrieb mit einstellbarer Drehzahl und/oder Drehrichtung versehen ist.
Im gattungsbildenden Stand der Technik ist von keinerlei Drehzahlregelung die Rede, vielmehr wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass eine Veränderung der Rotorgeschwindigkeit nicht erfolgen soll. Diese Drehzahlregelung ist aber für eine optimale Befüllung insbesondere bei unterschiedlichen Füllstandshöhen von ganz besonderer Bedeutung.
Mit der Erfindung wird es möglich, in einem kontinuierlichen Verfahren die erforderlichen Schüttdichten bei geringem Zeitaufwand zu erreichen. Mit dem rotierenden Element als rotierende Partikelwurfscheibe mit ihren unterschiedlichen radialen Erstreckungen der einzelnen Scheibensegmente mit steuerbarer Drehgeschwindigkeit lässt sich eine homogene Katalysatorschüttung erreichen.
Die Scheibe wird beispielsweise über ein Schlauchsystem von einem oberhalb des zu befüllenden Reaktors angeordneten Vorlagebehälter mit Katalysator beaufschlagt, wobei Drehzahl und Drehrichtung der Scheibe, wie oben angegeben, verstellbar sind, um etwa Schatteneffekte hinter Reaktoreinbauten, wie dem Thermowellrohr (oder auch Guide Pipes) zu vermeiden bzw. zu reduzieren.
Die stufenlose Verstellung der Drehgeschwindigkeit ist zweckmäßig, um die Drehzahl je Füllstandshöhe des zu befüllenden Bettes anpassen zu können, so dass sich die Partikelbahnkurve stets in der Mitte des Reaktorringes beim aktuellen Füllstand befindet, d .h. bei niedrigem Füllstand ist eine kleinere Umdrehungsgeschwindigkeit einzustellen, bei höherem Katalysatorfüllstand entsprechend eine größere. Diese Bedingung ist dem Umstand geschuldet, dass es nicht möglich ist, die gesamte Bettfläche bei jedem Füllstand mit Partikeln gleichzeitig zu befüllen, da z.B. der Bereich direkt um das Zentralrohr jedes Bettes eine unendlich steile Trajektorie (Bahnkurve) erfordern würde, welche physikalisch unmöglich ist, und die Partikelflugbahn für den äußeren Reaktorringbereich zur gleichen Zeit stets mit dem Füllstand angepasst werden müsste.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei kann vorgesehen sein, dass das scheibenförmige Element aus zwei mit den Stegen versehenen Halbscheiben gebildet ist, wobei neben dem radial längsten Scheibensektor der einen Halbscheibe der radial kürzeste Scheibensektor der anderen Halbscheibe positioniert ist.
Je nach Baugröße der entsprechenden Reaktoren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung unterschiedliche Größen und Gestaltungen aufweisen. Dabei kann vorgesehen sein, dass jede Halbscheibe aus sechs bis zwölf von den Stegen begrenzten Scheibensektoren gebildet ist.
In weiterer Ausgestaltung ist nach der Erfindung vorgesehen, dass im Scheibenzentrum ein Verteilkegel positioniert ist, wobei die Stege in ihrer radialen Erstreckung zum Verteilkegel einen gleichen Abstand aufweisen. Natürlich kann statt eines Verteilkegels dort auch ein anderes Bauteil vorgesehen sein, etwa ein Kugelabschnitt. Auch können die Stege in radialer Erstreckung in Richtung auf das Zentrum der Wurfscheibe unterschiedliche Längen aufweisen, was insbesondere dann zweckmäßig sein kann, wenn die Partikeldichte in den einzelnen Scheibensegmenten unterschiedlich sein soll.
Die Erfindung sieht auch vor, dass die Wurfscheibe mit einem Antrieb mit einstellbarer Drehzahl und/oder Drehrichtung versehen ist.
In weiterer Ausgestaltung ist nach der Erfindung vorgesehen, dass das scheibenförmige Wurfelement vom Scheibenzentrum nach außen trichterförmig geneigt ist, wobei in weiterer Ausgestaltung nach der Erfindung vorgesehen sein kann, dass der Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen im Bereich von etwa 15° bis 30° liegt.
Erkennbar lässt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine erhebliche Zeitersparnis beim Befüllvorgang mit Katalysator bei Ammoniaksynthese- Radialreaktoren erreichen. Bei Turnarounds können somit die Ammoniaksynthese-Reaktoren früher in Betrieb genommen werden und der Betreiber kann früher entsprechende Produkte darstellen und vertreiben.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in
Fig. 1 eine vereinfachte räumliche Darstellung einer ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine Aufsicht auf die Vorrichtung gemäß Pfeil II in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie III-III in Fig . 2,
Fig. 4 eine vereinfachte räumliche Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie in
Fig. 5 eine Seitenansicht auf die Vorrichtung gemäß Pfeil V in Fig . 4.
Die allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung für die Befüllung eines in den Figuren nicht dargestellten Behälters, z. B. mit Katalysatorgranulat, weist ein rotierendes Element 2 auf, das scheibenförmig ausgebildet ist und über einen Rotationsantrieb verfügt, wobei dieser Rotationsantrieb in den Figuren ebenfalls nicht näher dargestellt ist. Das rotierende, im Wesentlichen scheibenförmige Element 2 weist auf seiner Oberseite radial ausgerichtete Stege 3 auf, die von der Mittelachse der Scheibe aus gesehen nach außen weisend unterschiedlich lang sind und über den Umfang vergleichsweise ähnliche Abstände aufweisen, so dass einzelne, durch die Stege 3 und die Scheibe 2 gebildete Wurfscheibensektoren 6 ausgebildet sind .
Eine weitere Besonderheit ist im dargestellten Beispiel dadurch gegeben, dass zwei Scheibenhälften jeweils eine Reihe von Wurfscheibensektoren 6 aufweisen, die von der Größenabmessung über die Scheibenhälfte hin bis von einer größten zu einer kleinsten Abmessung ausgestaltet sind, derart, dass sich der kleinste Halbscheibensektor 6b an den größten Halbscheibensektor 6a der Nachbarscheibenhälfte anlegt. Im Beispiel nach Fig . 1 bzw. Fig. 2 wird jede Scheibenhälfte von acht unterschiedlichen Scheibensektoren gebildet.
Die Granulatzuführung ist in den Figuren ebenfalls nur durch eine Partikelzufuhr 4 angedeutet, wobei zusätzlich noch ein zentrischer Mittelkegel 5 in der Scheibenmitte angeordnet ist. Dieser Kegel kann auch eine andere Gestaltung aufweisen, etwa als Halbkugel ausgebildet sein od. dgl. Erkennbar weisen die Stirnseiten der Stege 3 zum Kegel 5 den gleichen Abstand auf, so dass sich dort eine Aufwurffläche für das zu verteilende Material bildet.
Über den nicht dargestellten Antrieb kann die Scheibe sowohl in ihrer Richtung als auch in ihrer Drehgeschwindigkeit stufenlos verstellbar ausgebildet sein.
In den Fig. 4 und 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Hier ist das scheibenförmige Element 2a nach außen trichterförmig gestaltet, wobei der Neigungswinkel des Trichters z. B. 20° betragen kann, ohne dass die Erfindung auf diese Winkelgröße beschränkt wäre. Ansonsten sind die wirkmäßig gleichen Elemente der Vorrichtung mit der gleichen Ziffer bezeichnet, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig . 1 bis 3. Natürlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, insbesondere nicht auf die dargestellte Anzahl der Scheibensegmente, die Höhe und Länge der segmenttrennenden Stege 3 und die Flächengestaltung der Scheibe 2 bzw. 2a.
Bezugszeichenliste :
1 Vorrichtung
2, 2a Scheibenförmiges Element
3 Stege
4 Partikelzufuhr
5 Mittelkegel
6, 6a, 6b Wurfscheibensektoren

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung (1) zur Befüllung eines Behälters mit Partikeln mit Ausbildung einer im Wesentlichen gleichmäßigen Befüllungsdichte mit gleichmäßiger Be- fülloberfläche, insbesondere zur Befüllung von Radialreaktoren bei einem Ammoniakkonverter mit Katalysator, wobei eine zentrische Partikelzuführung (4) zu einem rotierenden Element (2) oberhalb der maximalen Befüllebene im Behälter vorgesehen ist und das rotierende Element (2) im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist mit senkrecht zur Scheibenoberfläche stehenden Stegen (3), wobei die Länge der Stege (3) von einem Maximalwert in radialer Richtung stufenweise bis zu einem Minimalwert sich über den Scheibenumfang ebenso verringert wie die zugeordnete Radialausdehnung des scheibenförmigen Elementes zur Bildung unterschiedlicher Wurfscheibensektoren (6), dadurch gekennzeichnet,
dass das scheibenförmige Element (2) mit einem Antrieb mit einstellbarer Drehzahl und/oder Drehrichtung versehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das scheibenförmige Element (2) aus zwei mit den Stegen (3) versehenen Halbscheiben gebildet ist, wobei neben dem radial längsten Scheibensektor (6a) der einen Halbscheibe der radial kürzeste Scheibensektor (6b) der anderen Halbscheibe positioniert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede Halbscheibe aus sechs bis zwölf von den Stegen (3) begrenzten Scheibensektoren (6) gebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Scheibenzentrum ein Verteilkegel (5,5a) vorgesehen ist, wobei die Stege (3) in ihrer radialen Erstreckung zum Verteilkegel einen gleichen Abstand aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das scheibenförmige Element (2a) vom Scheibenzentrum nach außen trichterförmig geneigt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen 15° bis 30° beträgt.
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