DD269792A5

DD269792A5 - Katalytischer reaktor

Info

Publication number: DD269792A5
Application number: DD88314966A
Authority: DD
Inventors: Hiroshi Kasai; Yuji Kawamoto
Original assignee: ��@��@��k��
Priority date: 1987-05-18
Filing date: 1988-04-21
Publication date: 1989-07-12
Also published as: CN1030027A; IN168953B; JPS63283741A; CN1014118B; MY103347A; US4942022A

Abstract

In dieser Erfindung geht es um einen katalytischen Reaktor. Ein katalytischer Reaktor umfasst wenigstens ein Reaktorgefaess, ein Katalysatorbett und wenigstens zwei Waermeaustauscher. Das Katalysatorbett und die Waermeaustauscher sind koaxial mit der Mittelachse des Reaktorgefaesses und im wesentlichen auf der gleichen Hoehe angeordnet.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen katalytischer! Reaktor, d. h. einen Reaktor für katalytische Reaktionen, für das Inkontaktbringen eines gasförmigen Ausgangsmaterials mit einem festen Katalysator, um eine exotherme Umwandlungsreaktion zu bewirken und dadurch ein gasförmiges Reaktionsprodukt zu erhalten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Herkömmlicherweise wird in einem katalytischer! Reaktor ein Katalysatorbett in mehrere kleinere Betten unterteilt und es wird zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgende dieser kleineren Katalysatorbetten ein Wärmeaustauscher zwischengeschaltet, so daß die Temperatur in jedem kleineren Katalysatorbett auf dem Niveau gehalten werden kann, das am besten für die gewünschte Reaktion geeignet ist, um dadurch zu bewirken, daß die Reaktion im rr jximalen Maße abläuft. Unter den vertikalen katalytischen Reaktoren, die derzeit bekannt sind, gibt es solche, die individuell mit derartigen kleineren Katalysatorbetten ausgestattet sind, wobei jedes dieser kleineren Katalysatorbetten aus gasdurchlässigen inneren und äußeren Zylindern aufgebaut ist, die sowohl an ihrem oberen als auch an ihrem unteren Ende geschlossen sind. Jedes Katalysatorbett ist im transversalen Querschnitt ringförmig und besitzt eine zylindrische äußere Form und gestattet, daß das Reaktionsgas radial durch es hindurchströmt, so daß der Druckabfall des Gases, welches durch das Katalysatorbett geführt wird, klein gehalten werden kann.

Von den bekannten, zum Stand der Technik gehörenden katalytischen Reaktoren werden als Beispiele die folgenden neueren Veröffentlichungen genannt:

Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr.81129/1981,

Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 110328/1985 und

Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 179131/1985.

Bei den in diesen Veröffentlichungen beschriebenen katalytischen Reaktoren ist jeder einzelne Wärmeaustauscher beispielsweise in dem offenen mittleren Raum eines ringförmigen Katalysatorbettes oder in einem Raum oberhalb oder unterhalb des Katalysatorbettes innerhalb eines Reaktorgefäßes angeordnet.

Bei den vorgenannten Reaktoren gemäß dem Stand der Technik sind die Katalysatorbetten und Wärmeaustauscher ziemlich einfach innerhalb des Raumes des Reaktionsgefäßes angeordnet. Hierbei wurden jedoch Wartungs- und Betriebskosten nicht vollständig in Betracht gezogen. Die Anordnungen besitzen unter anderem einen oder mehrere der folgenden Nachteile.

(1) Die katalytischen Reaktoren haben komplizierte innere Strukturen und ihre Herstellungskosten sind hoch.

(2) Es ist mühsam und zeitaufwendig, ihre Wärmeaustauscher zusammenzubauen und auseinanderzunehmen. Es ist nicht möglich, die Wärmeaustauscher herauszunehmen, so lange nicht der Katalysator vollständig entfernt worden ist. Ihre Wartung ist deshalb schwierig durchzuführen, was zu höheren Reparaturkosten führt.

(3) Die Wärmeaustauscher sind entsprechend der Wärmemengen, die in ihren jeweiligen entsprechenden Katalysatorbetten erzeugt werden sollen, ausgelegt. Es ist jedoch sehr schwierig, die Größe eines Wärmeaustauschers, der installiert werden soll, der Größe seines entsprechenden Katalysatorbettes anzupassen, weil der Raum, der zur Aufnahme des Wärmeaustauschers vorgesehen ist, begrenzt ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu beseitigen und einen neuen katalytischen Reaktor zu schaffen, dessen Wartung leichter ist und der mit niedrigen Herstellungskosten herstellbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Reaktoren der beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß Wärmeaustauscher, insbesondere wenn sie eine komplexe Struktur besitzen, an besser zugänglichen Stellen angeordnet sind, damit ihre Wartung, einschließlich Ein- und Ausbau sowie das Auseinandernehmen und der Zusammenbau erleichtert werden. Bei dem katalytischen Reaktor dieser Erfindung sind ein Katalysatorbett und wenigstens zwei Wärmeaustauscher koaxial mit der vertikalen Mittelachse eines Reaktorgefäßes und auf im wesentlichen der gleichen vertikalen Höhe vorgesehen. Und zwar sind die Wärmeaustauscher, deren Strukturen komplex sind, zusammen an einer Stelle angeordnet, die eine leichte Wartung gestattet, zum Beispiel in dem höchsten Teil des Reaktors, wodurch ihre Wartung erleichtert wird unu gleichzeitig die für ihre Wartung erforderlichen Kosten verringert werden.

Ausführungsbeispiel

Im folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei wird auch auf die Zeichnungen Bezug genommen.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: einen vertikalen Querschnitt einer Ausführungsform eines Reaktors für die Synthese von Ammoniak, bei dem die

vorliegende Erfindung eingebaut worden ist; Fig. 2: einen abgebrochenen vertikalen Teilquerschnitt einer anderen Ausführungsform eines Reaktors, bei dem der Aufbau

eines zweiten Wärmeaustauschers 8 in Fig. 1 modifiziert worden ist; Fig. 3: einen vertikalen Querschnitt einer weiteren Ausfüh 'ungsform des Reaktors für die Synthese von Ammoniak, in dem zwei Wärmeaustauscher vorgesehen sind, von denen e' ner außerhalb von einem der Katalysatorbetten und der andere innerhalb des gleichen Katalysatorbettes gelegen ist, und

Fig. 4: einen vertikalen Querschnitt noch einer weiteren Ausführungsform des Reaktors für die Synthese von Ammoniak, in dem zwei Wärmeaustauscher beide außerhalb eines der Katalysatorbetten gelegen sind.

Es wird zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen. Der Reaktor umfaßt ein Reaktorgefäß 1, drei Katalysatorbetten, die innerhalb des Reaktorgefäßes 1 untergebracht sind, und zwar ein erstes Katalysatorbett 4, ein zweites Katalysatorbett 5 und ein drittes Katalysatorbett 6, die in dieser Reihenfolge eines unter dem anderen angeordnet sind, und einen ersten Wärmeaustauscher 7 und einen zweiten Wärmeaustauscher 8, die beide in der zentralen Öffnung innerhalb des ersten Katalysatorbettes 4 vorgesehen

Die Katalysatorbetten 4,5,6 sind jeweils koaxial zu der vertikalen Mittelachse der Reaktorgefäßes 1 angeordnet und jeweils als ringförmiger Körper ausgeformt. Die Katalysatorbetten 4,5 und 6 sind jeweils in radialer Richtung durch luftdurchlässige innere und äußere zylindrische Wände begrenzt, sind an ihren oberen und unteren Enden durch horizontale obere und untere Endplatten geschlossen und weisen eine ringförmige Konfiguration im horizontalen Querschnitt auf. Ein Katalysator ist innen in den ringförmigen Abschnitt jedes einzelnen Katalysatorbettos gepackt. In der dargestellten Ausführungsform kann das Reaktionsgas in radialer Richtung jeweils durch die Katalysatorbetten von der äußeren zylindrischen Wand in Richtung auf die innere zylindrische Wand strömen.

Der erste Wärmeaustauscher 7 ist innerhalb des in radialer Richtung äußeren Abschnittes der zentralen Öffnung des ersten Katalysatorbettes 4 vorgesehen, und der ?""eite Wärmeaustauscher 8 ist in der zentralen Öffnung in radialer Richtung innerhalb des ersten Wärmeaustauschers angeordnet, wobei alle diese Elemente 4,7 und 8, in einer Draufsicht gesehen, konzentrisch angeordnet sind, so daß sie koaxial mit der vertikalen Mittelachse des Reaktorgefäßes 1 verlaufen und sind im wesentlichen auf der gleichen vertikalen Höhe in bezug auf den Boden der Reaktorgefäßes angeordnet.

Ein erster Bypass 10 und ein zweiter Bypass 11 sind vorgesehen, um ein Kühlgas von außen so einzuführen, daß die Temperatur des Reaktionsgases an verschiedenen Steilen in dem Reaktionsgefäß 1 gesteuert werden kann. Das Reaktionsgas wird jedoch durch das Kühlgas nicht verdünnt, da d&s Kühlgas nicht mit dem Reaktionsgas gemischt wird.

Wärmeaustauscher vom Rohr- und Mant j|-Typ werden als Wärmeaustauscher in vielen Reaktionssystemen beispielsweise verwendet. Hier können Teile von einem Wärmeaustauscher wie beispielsweise eine Mantel- und -Rohr-Platte häufig gemeinsam als Teile des anderen Wärmeaustauschers oder des entsprechenden Katalysatorbettes verwendet werden. In der dargestellten Ausführungsform dient der innere Mantel 7 A des ersten Wärmeaustauschers 7 auch als äußerer Mantel des zweiten Wärmeaustauschers 8, und der äußere Mantel 17 des ersten Wärmeaustauschers 7 dient auch als eine Trennwand, um den ersten Wärmeaustauscher 7 von dem Raum, in dem das erste Katalysatorbett 4 angeordnet ist, zu isolieren.

In Nähe der inneren Seitenwand des Reaktorgefäßes 1 sind erste und zweite innere Zylinder 2,3 angeordnet, in denen sich die vorstehend beschriebenen Katalysatorbetten 4,5,6 und die Wärmeaustauscher 7,8 befinden und angeordnet sind, Die ersten und zweiten inneren Zylinder dienen als Strukturelemente zum Halten dieser inneren Einheiten 4,5,6,7 und 8 und außerdem als Wärmeabschirmungen für das Reaktorgefäß 1. Der enge ringförmige Raum, der zwischen dem Reaktorgefäß 1 und dem ersten inneren Zylinder 2 ausgebildet ist und von diesem begrenzt wird, und derjenige, der zwischen dem ersten inneren Zylinder 2 und dem zweiten inneren Zylinder 3 ausgebildet ist, werden als Gasdurchströmungswege verwendet.

Im folgenden werden die Strömung und die Wirkungsweise des Gases beschrieben.

Ein nicht umgesetztes frisches Gas tritt in den Reaktor durch einen Gaseinlaß 14 ein, strömt nach oben in dem Raum zwischen dem Reaktorgefäß 1 und dem ersten inneren Zylinder 2, tritt in das obere Ende der Mantelseite des zweiten Wärmeaustauschers 8 ein, unterliegt Wärmeaustausch mit Reaktionsgas, das von dem zweiten Katalysatorbett 5 abgelassen wird, und strömt dann durch das untere Ende des zweiten Wärmeaustauschers 8 aus. Als nächstes tritt das frische Gas in die Rohre des ersten Wärmeaustauschers 7 durch dessen untere Enden ein, durchläuft Wärmeaustausch mit Reaktionsgas, das von dem ersten Katalysatorbett 4 abgelassen wird, und wird dadurch auf die Anfangstemperatur der katalytischen Reaktion erhitzt, und strömt dann durch das obere Ende des Wärmeaustauschers 7 aus. Das so erhitzte frische Gas tritt danach in das erste Katalysatorbett 4 durch dessen äußere zylindrische Wand ein, so daß das frische Gas der katalytischen Reaktion unterworfen wird, während es durch das erste Katalysatorbett 4 radial nach innen strömt. Das entstehende Reaktionsgas tritt dann in die Mantelseite des ersten Wärmeaustauschers 7 an dessen oberen Ende ein, wird darin abgekühlt und strömt durch dessen unteres Ende aus. Danach tritt das so abgekühlte Reaktionsgas in das zweite Katalysatorbett 5 durch dessen äußere zylindrische Wand ein, wodurch das Reaktionsgas weiter der katalytischen Reaktion unterworfen wird. Das entstehende Reaktionsgas, das durch die innere zylindrische Wand des zweiten Katalysatorbettes 5 ausgeströmt ist, tritt in die Rohre des zweiten Wärmeaustauschers 8 ein, wr Jas Reaktionsgas selbst als Ergebnis des Übergangs seiner Wärme an den Beschickungsstrom aus dem frischen Gas abgekühlt wird. Danach strömt das Reaktionsgas durch eine Leitung 12 und dann durch den Raum zwischen dem ersten inneren Zylinder 2 und dem zweiten inneren Zylinder 3, wird gegebenenfalls der katalytischen Reaktion in dem dritten Katalysatorbett 6 unterworfen und strömt dann durch einen Gasauslaß 15 aus dem Reaktor aus.

Die Ausführungsform der Fig. 2 ist im wesentlichen gleich der Ausführungsform von Fig. 1 mit der Ausnahme, daß der Aufbau des zweiten Wärmeaustauschers 8 modifiziert worden ist.

In der in Fig.2 gezeigten Ausführungsform sind die Gase, die entsprechend durch den Mantel und die Rohre des zweiten Wärmeaustauschers 8 strömen, entgegengesetzt gerichtet zu denjenigen in der Ausführungsform von Fig. 1. Und zwar tritt das frische Gas in die oberen Enden der Rohre 16 des zweiten Wärmeaustauschers 8 ein, während das Reaktionsgas, das aus dem zweiten Katalysatorbett 5 ausströmt, nach oben strömt und in das untere Ende der Mantelseite des zweiten Wärmeaustauschers 8 eintritt. Nachdem das Reaktionsgas vom Katalysatorbett 5 dem Wärmeaustausch mit dem frischen Gas unterworfen worden ist, strömt das Reaktionsgas nach unten durch eine zentrale Ablaßleitung 13 von dem oberen Ende des Mantels und strömt dann in das dritte Katalysatorbett 6 durch dessen zylindrische innere Wand.

Der vorstehend beschriebene Aufbau macht den zweiten inneren Zylinder 3 unnötig, wodurch sich der Aufbau des Reaktors vereinfacht.

Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen. Der erste Wärmaustauscher 7 ist außerhalb des ersten Katalysatorbett 4 vorgesehen, während der zweite Wärmeaustauscher 8 innerhalb des ersten Katalysatorbettes 4 angeordnet ist. Der erste und der zweite Wärmeaustauscher 7,8 und das erste Katalysatorbett 4 sind, in Draufsicht gesehen, konzentrisch vorgesehen, so daß sie koaxial mit der vertikalen Mittelachse des Reaktionsgefäßes 1 und im wesentlichen auf der gleichen Höhe angeordnet sind.

In der in Fig.4 gezeigten Ausführungsform ist der erste Wärmeaustauscher 7 außerhalb des ersten Katalysatorbettes 4

vorgesehen, und der zweite Wärmeaustauscher 8 ist in radialer Richtung weiter außerhalb des ersten Wärmeaustauschers 7 vorgesehen. Der erste und der zv eite Wärmeaustauscher 7,8 und das erste Katalysatorbett 4 sind, in Draufsicht gesehen, konzentrisch vorgesehen, so daß sie koaxial mit der vertikalen Mittelachse des Reaktionsgefäßes 1 verlaufen und auf im wesentlichen der gleichen Höhe angeordnet sind.

Die Ströme bzw. Strömungsrichtungen von Gasen in den Fig.3 und 4 ergeben sich aus den entsprechenden Zeichnungen und ihre Beschreibung wird hier deshalb weggelassen.

Wie vorstehend im einzelnen beschrieben worden ist, haben sich unter anderem die folgenden Vorteile dadurch ergeben, daß ein Katalysatorbett und wenigstens zwei Wärmeaustauscher koaxial mit der vertikalen Mittelachse des Reaktio isgefäßes angeordnet sind und im wesentlichen auf der gleichen vertikalen Höhe liegen.

(1) Wärmeaustauscher, deren Strukturen sehr komplex im Vergleich zu den anderen Elementen in einem kataly ischen Reaktor sind, können insbesondere in einem ganz oben gelegenen Teil konzentriert werden, wo die Wartung der Wärm ^austauscher leicht ist, und dadurch erleichtert sich die Arbeit beispielsweise für Zusammenbau und Ausbau der Wärmeaustauscher.

(2) Die Strukturen von Katalysatorbetten, in denen keine Wärmeaustauscher eingebaut sind, können vereinfacht werden, und ihre Wartung wird deshalb erleichtert.

(3) Der Gesamtaufbau des katalytischen Reaktors wird vereinfacht, was zur Senkung der Herstellungskosten führt.

Claims

1. Vertikaler katalytischer Reaktor für das Inkontaktbringen eines gasförmigen Ausgangsmaterials mit einem festen Katalysator, um eine exotherme Umwandlungsreaktion zu bewirken und dadurch ein gasförmiges Reaktionsprodukt zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor ein Reaktions- oder Reaktorgefäß (1), eine Vielzahl von Katalysatorbetten (4,5,6) innerhalb des Reaxtorgefäßes, wobei diese Katalysatorbetten eines unter dem anderen entlang der vertikalen Mittelachse des Reaktorgefäßes und koaxial zu der vertikalen Mittelachse des Reaktorgefäßes angeordnet sind, so daß ein Reaktionsgas nacheinander oder in Reihe durch sie hindurchströmen kann, und eine Vielzahl von Wärmeaustauschern (7,8), die koaxial zu der vertikalen Mittelachse des Reaktorgefäßes und innerhalb des Reaktorgefäßes angeordnet sind und jeweils entsprechend mit den Katalysatorbetten so verbunden sind, daß ein Reaktionsgas jeweils von einem Katalysatorbett in einem entsprechenden Wärmeaustauscher abgekühlt wird, bevor es in ein nachfolgendes Katalysatorbett eintritt, umfaßt und daß jedes der Katalysatorbetten (4,5,6) aus einer inneren und einer äußeren gasdurchlässigen zylindrischen Seitenwand, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen, oberen und unteren Endwänden oder Stirnwänden, die entsprechend an den oberen bzw. unteren Enden der gasdurchlässigen inneren und äußeren zylindrischen Seitenwände vorgesehen sind, und dem festen Katalysator, der in einen ringförmigen Raum gepackt ist, der jeweils von den gasdurchlässigen inneren und äußeren zylindrischen Seitenwänden und den oberen und unteren Endwänden begrenzt wird, zusammengesetzt ist, um dadurch zu gestatten, daß das entsprechende Reaktionsgas in radialer Richtung durch das Katalysatorbett strömt, und wobei wenigstens eines (4) der Katalysatorbetten und wenigstens zwei der Wärmeaustauscher (7, B) auf im wesentlichen der gleichen Höhe in dem Reaktorgefäß (1) angeordnet sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas in radialer Richtung von den äußeren zylindrischen Seitenwand in Richtung au* die innere zylindrische Seitenwand in jedem der Katalysatorbetten (4,5,6) strömt.

3. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas in radialer Richtung von der inneren zylindrischen Seitenwand in Richtung auf die äußere zylindrische Seitenwand in jedem der Katalysatorbetten (4,5, 6) strömt.

4. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas in radialer Richtung von der äußeren zylindrischen Seitenwand in Richtung auf die innere zylindrische Seitenwand in wenigstens einem der Katalysatorbetten strömt und das Reaktionsgas in radialer Richtung von der inneren zylindrischen Seitenwand in Richtung auf die äußere zylindrische Seitenwand in wenigstens einem der verbleibenden Katalysatorbetten strömt.

5. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Wärmeaustauscher in radialer Richtung innerhalb des wenigstens einen Katalysatorbettes angeordnet sind.

6. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Wärmeaustauscher in radialer Richtung innerhalb und wenigstens einer der Wärmeaustauscher in radialer Richtung innerhalb und wenigstens einer der Wärmeaustauscher in radialer Richtung außerhalb von dem wenigstens einen Katalysatorbett angeordnet ist.

7. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Wärmeaustauscher in radialer Richtung außerhalb des wenigstens einen Katalysatorbettes angeordnet sind.

8. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Katalysatorbett (4) das oberste Katalysatorbett in dem Reaktor ist.

9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Wärmeaustauscher in radialer Richtung innerhalb des wenigstens einen Katalysatorbettes (4) angeordnet sind.

10. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine der Wärmeaustauscher in radialer Richtung innerhalb und wenigstens einer der Wärmaustauscher in radialer Richtung außerhalb von dem wenigstens einen Katalysatorbett (4) angeordnet ist.

11. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Wärmeaustauscher in radialer Richtung außerhalb des wenigstens einen Katalysatorbettes angeordnet sind.

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen