DE2614692A1

DE2614692A1 - Katalysereaktionsvorrichtung

Info

Publication number: DE2614692A1
Application number: DE19762614692
Authority: DE
Inventors: Norio Arashi; Yukio Hishinuma; Tadayoshi Murakami
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1975-04-09
Filing date: 1976-04-05
Publication date: 1976-10-14
Also published as: DE2614692C3; JPS51117964A; US4101290A; DE2614692B2

Description

Katalysereaktionsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Katalysereaktionsvorrichtung zur Durchführung einer Gasphasenreaktion einer Mischung eines zu behandelnden Gases und eines damit mit erhöhter Reaktionsgeschwindigkeit zu reagierenden gasförmigen Stoffes mittels Durchleitens der Mischung durch ein in der Vorrichtung in einer senkrechten Ebene befindliches, mit Katalysatormaterial gefülltes Katalysatorpackungsbett.

Katalysereaktionsvorrichtungen wurden bereits zur Durchführung einer solchen Gasphasenreaktion mittels Durchleitens der gasförmigen Mischung durch die Vorrichtung angegeben. Ein Beispiel der Katalysereaktionsvor-

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richtung ist die zur Entfernung von Stickstoffoxiden aus einem Abgas durch einen trockenen katalytischen Reaktionsprozeß verwendete Vorrichtung. Bei der Entfernung der Stickstoffoxide aus dem Abgas durch diesen Reduktionsprozeß wird Ammoniakgas als der zur Reaktion mit dem zu behandelnden Gas bestimmte Stoff in ein Verbrennungsabgas von einem Kessel od. dgl. als das zu behandelnde Gas eingeblasen, und die erhaltene gasförmige Mischung wird durch ein Katalysatorpackungsbett der Katalysereaktionsvorrichtung geleitet, wodurch beispielsweise NO durch Reaktion mit dem Ammoniak zu Ng und HgO zersetzt wird. Auf diese Weise erreicht man die Entfernung der Stickstoffoxide aus dem Abgas.

Die Katalysereaktionsvorrichtungen weisen üblicherweise einen derartigen Aufbau auf, daß man die gasförmige Mischung in horizontaler Richtung durch die Vorrichtungen zum Durchstrom durch ein wandartiges Katalysatorpackungsbett strömen läßt-, das darin in einer Vertikalebene angeordnet ist.

Gemäß den bisher angegebenen Ausführungsarten wird das Katalysatorpackungsbett in einer vertikalen Ebene entweder senkrecht oder parallel zur Strömungsrichtung einer Gasmischung angeordnet. Jedoch muß bei der parallel zur Strömungsrichtung der Gasmischung erfolgenden Anordnung die Querschnittsfläche der Abgasleitung, in der das Katalysatorpackungsbett anzubringen ist, entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit der zu behandelnden Gasmischung vergrößert werden, und somit muß man die Abgasleitung am Einlaß zum Katalysatorpackungsbett im Vergleich mit dem Einlaßbereich der Abgasleitung entsprechend erweitern. Dabei neigt der größte Teil der Gasmischung dazu, direkt auf dem nächsten Wege in Richtung zum Kata—

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lysatorpackungsbett zu strömen, während sich nur ein geringer Teil der Gasmischung über den erweiternden Seitenbereich verteilt und zu den Randbereichen des Katalysatorpackungsbettes gelangt. Es findet also eine Strömungsablenkung der gasförmigen Mischung statt. Mit anderen Worten strömt der größte Anteil der Gasmischung durch einen Teil des Katalysatorpackungsbettes, während ein geringerer Anteil durch andere Teile des selben strömt. Deshalb müßte ein Strömungsrichtungsausgleicher, großen Formats vorgesehen werden, um eine solche Strömungsablenkung der Gasmischung zu verhindern.

Andererseits ist die parallel zur Gasströmung erfolgende Anordnung des Katalysatorpackungsbetts zwar zur Verringerung des Raumbedarfs des Katalysatorpackungsbetts wirKsam, doch muß bei dieser Anordnung das Ende der Abgasleitung geschlossen werden, und man läßt die Gasmischung auf das geschlossene Ende der Abgasleitung auftreffen und eine Richtungsänderung in die Seitenrichtung der Abgasleitung durchmachen, um die Gasmischung wirkungsvoll durch das Katalysatorpackungsbett zu treiben. Daher entwickelt sich ein merklicher Druckunterschied zwischen der Stromaufseite (d. h. nahe der Einlaßabgasleitungsseite) und der Stromabseite (d. h. nahe der Auslaßabgas leitungsseite des Katalysatorpackungsbetts), und dementsprechend neigt die Strömungsgeschwindigkeit der durch den Stromaufseitenteil des Katalysatorpackungsbetts strömenden Gasmischung dazu, niedriger als die im Stromabseitenteil zu sein. Es entsteht somit eine Strömungsablenkung der Gasmischung zwischen der Stromaufseite und der Stromabseite des parallel zur Strömungsrichtung der Gasmischung angeordneten Katalysatorpackungsbetts, was zu einer Beeinträchtigung der Durchführung der wirkungsvollen Reaktion führt.

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Wenn einmal die Strömungsablenkung der gasförmigen Mischung auftritt, ist die durch das Katalysatorpackungsbett strömende Gasmischung beim Durchströmen des Bettes unausgeglichen. Das bedeutet, daß die Reaktion nur in einem Teil des Katalysatorpackungsbetts wirksam, in den anderen Teilen dagegen nictrc voll wirksam abläuft. Solche Reaktionsverhältnisse sind jedoch ungünstig. Es ist in der Katalysereaktionsvorrichtung besonders erwünscht, die Reaktion im gesamten Katalysatorpackungsbett wirksam und gleichmäßig ablaufen zu lassen, weshalb es sehr nötig ist, jedes Auftreten einer solchen Strömungsablenkung der Gasmischung zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Katalysereaktionsvorrichtung derart auszugestalten, daß sie praktisch frei von jedem Auftreten einer Strömungsablenkung der gasförmigen Mischung ist.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine Katalysereaktionsvorrichtung zum Entfernen eines Bestandteils aus einer Gasmischung mittels Durchleirens der Mischung durch ein in der Vorrichtung in einer senkrechten Ebene befindliches, mit Katalysatoren gefülltes Katalysatorpackungsbett, mit dem Kennzeichen, daß das Katalysatorpackungsbett unter einem bestimmten Drehwinkel gegenüber der Strömungsrichtung der Gasmischung angeordnet ist.

Die Erfindung gibt also eine Katalysereaktionsvorrichtung zur Durchführung einer gasförmigen Reaktion einer Mischung eines zu behandelnden Gases und eines damit mit erhöhter Reaktionsgeschwindigkeit in Reaktion zu brangpiden gasförmigen Stoffes an, die ein Katalysator packungsbett in einer vertikalen Ebene unter einem bestimm-

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ten Drehwinkel zur Strömungsrichtung der Gasmischung in der Vorrichtung enthält. Eine nachteilige Ablenkung des Stroms der gasförmigen Mischung läßt sich mit dieser Anordnung des Katalysatorpackungsbetts wirkungsvoll vermeiden.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht man eine Kombination von zwei in je einer Vertikalebene vorgesehenen Katalysatorpackungsbetten vor, deren jedes aus der Strömungsrichtung der Gasmischung derart herausgedreht ist, daß die beiden Katalysatorpackungsbetten einen angenähert V-förmigen Querschnitt bilden. Dank der Anordnung des Katalysatorpackungsbetts in einer Vertikalebene unter einem bestimmten Drehwinkel gegenüber der Strömungsrichtung der Gasmischung kann die Gasmischung durch das Katalysatorpackungsbett sowohl an der Stromauf seite als auch an der Stromabseite des Katalysatorpackungsbetts gleichmäßig strömen, wodurch jedes Auftreten einer Ablenkung der Strömung der Gasmischung verhindert wird.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsart der Katalysereaktiansvorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht einer

anderen Ausführungsart der Katalysereaktionsvorrichtung j

Fig. Ja ein Diagramm zur Darstellung einer bekannten Gasströmungsgeschwindigkeitsverteilungj

Fig. 5b ein Diagramm zur Darstellung einer Gasströ-

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mungsgeschwindigkeitsverteilung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehungen

zwischen dem Drehwinkel des Katalysatorpackungsbetts gegenüber der Strömungsrichtung einer Gasmischung und dem Strömungsablenkungsgrad;

Fig. 5 einen Querschnitt eines Katalysatorpackungsbetts nach einer weiteren Ausführungsart;

Fig. 6 eine Seitenansicht des Katalysatorpackungsbetts nach Fig. 5; und

Fig. 7 eine vergrößerte Teildarstellung des Katalysatorpackungsbetts nach Fig. 5·

Gemäß Fig. 1 besteht eine Katalysereaktionsvorrichtung 10_ aus einer Einlaßabgasleitung 11 zum Einführen einer zu behandelnden Gasmischung, einer Zwischenabgasleitung 12 mit einer weiteren Querschnittsfläche als der· der Einlaßabgasleitung 11, in welcher Leitung 12 ein Katalysatorpackungsbett 14 zur Behandlung der eingeführten Gasmischung in einer Vertikalebene angeordnet ist, und einer Auslaßabgasleitung 1J> mit einer der der Einlaßabgasleitung 11 nahezu gleichen Querschnittsfläche, die zur Abgabe der behandelten Gasmischung gerichtet ist. Das Katalysatorpackungsbett 14, das mit Katalysatormaterial gefüllt ist, weist einen wandartigen Aufbau auf und ist in der Zwischenabgasleitung 12 vertikal angeordnet. Trichter 15 mit Auslaßöffnungen 16 zur Entnahme von Katalysator— material aus dem Katalysatorpackungsbett sind am Boden des Katalysatorpackungsbetts 14 vorgesehen.

Nach dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist das Katalasatorpackungsbett 14 in der Zwischenabgasleitung 12

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unter einem bestimmten Verdrehungsgrad zur Strömungsrichtung 26 der Gasmischung befestigt. Das Katalysatorpackungsbett 14 ist also derart angeordnet, daß ein Seitenende des Bettes näher zur Einlaßabgasleitung 11, d. h. an der linken Seite in Fig. 1 steht, während das andere Seitenende des Bettes näher zur Auslaßabgasleitung 12, d. h. an der rechten Seite in Fig. 1 steht, und daß das Katalysatorpackungsbett somit die Zwischenabgasleitung unter einem bestimmten Drehwinkel zur Strömungsrichtung der Gasmischung kreuzt.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen, in Fig. 1 veranschaulichten Aufbau wird die zu behandelnde Gasmischung von der Einlaßabgasleitung 11 in die Zwischenabgasleitung 12 eingeführt und durch das Katalysatorpaekungsbett 14 geleitet. Da das Katalysatorpaekungsbett 14 unter einem bestimmten Drehwinkel zur Strömungsrichtung 26 der Gasmischung befestigt ist, kann die Gasmischung langsam durch das Katalysatorpaekungsbett 14 strömen, bevor sich ein Druckunterschied zwischen der Einlaßabgasleitungsseite und der Auslaßabgasleitungsseite entwickelt. Die gasförmige Mischung kann also fast gleichmäßig durch sowohl die Einlaßabgasleitungsseite als auch die Auslaßabgasleitungsseite strömen, und es tritt keine Strömungsablenkung der Gasmischung auf. Das Katalysatorpaekungsbett 14 kann auch in einer der nach Fig. 1 entgegengesetzten Stellung mit der gleichen Wirkung befestigt sein.

Nach Fig. 2 ist eine wandartige Katalysatorpackungs~ schicht 14A in angenäherter V-Querschnittsform vertikal in einer Katalysereaktionsvorrichtung JJ) angeordnet, wobei das offene V-Ende des Betts zur Einlaßabgasleitung 11 hin gerichtet ist. Jeder Schenkel bzw. jede Seite des V-förmigen Betts, ist unter einem bestimmten Drehwinkel

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gegenüber der Strömungsrichtung 26 der Gasmischung angeordnet. In Fig. 2 ist ein nahezu V-querschnittsförmiges Katalysatorpackungsbett vorgesehen, doch kann man auch zwei Katalysatorpackungsbetten dieser Art parallel zur Bildung einer W-querschnittsförmigen Anordnung anbringen, oder man kann auch ein nahezu U-querschnittsförmiges Katalysatorpackungsbett vorsehen. Man kann also erfindungsgemäß ein Katalysatorpackungsbett irgendeiner Gestalt als Bett l4A verwenden, sofern das Bett einen Teil aufweist, der unter einem bestimmten Drehwinkel zur Strömungsrichtung der gasförmigen Mischung angebracht ist. Am Einlaßende und am Auslaßende des Katylsatorpackungsbetts l4A sind - wie in Fig. 1 - fast horizontal eine Einlaßabgasleitung 11 bzw. eine Auslaßabgasleitung IJ vorgesehen, so daß die zu behandelnde Gasmischung fast horizontal durch das Katalysatorpackungsbett strömt. Das offene Ende des angenähert V-förmigen Katalysatorpackungsbetts ist gegen die Strömungsrichtung der Gasmischung gerichtet, und das Katalysatorpackungsbett weist wieder Trichter 15 mit Auslaßöffnungen 16 am Boden zur Entnahme von Katalysatormaterial aus dem Bett auf.

Eine zu behandelnde Gasmischung, z. B. ein Stickstoffoxide enthaltendes Verbrennungsabgas, wird in die Katalysereaktionsvorrichtung _10 durch die Einlaßabgasleitung 11 in der Strömungsrichtung 26 der Gasmischung eingeführt und in Kontakt mit den Katalysatoren des Katalysatorpackungsbetts l4A gebracht, wodurch die Stickstoffoxide reduziert oder zersetzt und anschließend die Reaktionsprodukte durch die Auslaßabgasleitung 13 entfernt und abgeführt werden. Da das Katalysatorpackungsbett l4A einen angenähert V-querschnittsförmigen Aufbau hat, kann die Gasmischung fast gleichmäßig durch sowohl die Einlaßabgasleitungsseite als auch die Auslaßabgasleitungsselte strö-

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men, und es entsteht keine Strömungsablenkung der gasförmigen Mischung. Insbesondere ist das offene Ende des Betts gegen die Gasströmung gerichtet, und folglich kann die Gasmischung ohne weiteres in den Raum zwischen den V-Schenkeln einströmen und gleichmäßig durch das gesamte Bett weiterströmen.

Gewöhnlich enthält das Verbrennungsabgas Stäube, die sich an den Oberflächen der Katalysatorteile abscheiden und sammeln, so daß sich der Strömungswiderstand des Betts erhöht. Daher müssen die Katalysatoren aus den Trichtern I5 in geeignetem Umfang entnommen werden, und nach der Beseitigung der abgeschiedenen Stäube von den Katalysatoren werden diese wieder in das Bett eingefüllt, um jeden Anstieg des Druckabfalls im Katalysatorpackungsbett zu vermeiden.

Die Pig. 3a und 3b zeigen schematisch, daß die Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Technik sehr wirkungsvoll ist, wobei als Grundlage Versuchsergebnisse zur Klärung der Ablenkungszustände der Strömung der gasförmigen Mischung dienen. In Fig. 3a ist ein Katalysatorpackungs bett 14A parallel zur Strömungsrichtung 26 einer Gasmischung entsprechend dem einen bekannten Typ vorgesehen (die Anordnung senkrecht zur Strömungsrichtung der Gasmischung ist nicht gezeigt). In Fig. 3b ist das Katalysatorpackungsbett 14A erfindungsgemäß unter einem bestimmten Drehwinkel 0 zur Strömungsrichtung der gasförmigen Mischung angeordnet. Wie ein Vergleich der Fig. 3a und 3b zeigt, ist es ein wirkungsvolles Mittel zur Verhinderung des Auftretens einer Strömungsablenkung, das Katalysatorpackungsbett in einem bestimmten Drehwinkel zur Strömungsrichtung der Gasmischung anzuordnen, weil so die Gasströmungs-Geschwindigkeitsverteilung vergleichmäßigt wird.

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In Pig. -'+ sind die Beziehungen zwischen dem Drehwinkel des Katalysatorpackungsbetts l4A zur Strömungsrichtung einer gasförmigen Mischung und dem Strömungsablenkungsgrad dargestellt. Wie Fig. 4 zeigt, ist ein Einfluß des Gasimpulses bei einem Drehwinkel des Katalysatorpackungsbetts von weniger als 5° deutlich festzustellen, so dai die Strömungsablenkung beträchtlich ist. Andererseits wird bei einem Drehwinkel von mehr als j>0° der Einfluß der Erweiterung won der EinlaiSabgasleitung beim Einlass zum Katalysatorpac^-cungsbett allmählich größer, und daher entwickelt sich wieder die ungünstige Strömungsablenkung. Es folgt aus den vorstehenden Ergebnissen, daß der für ein möglichst geringes Auftreten von Strömungsablenkung bevorzugte Drehwinkel des Katp.lysatorpackungsbetts im Bereich von 5 bis 30 liegt. Auch wenn der Drehwinkel 30°'übersteigt, jedoch noch nahe 50° liegt, läßt sich das Auftreten von Strömungsablenkung- besser¹als nach dem Stand der Technik vermeiden.

-In den Fig. 5 bis 7 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem ein Katalysatorpackungsbett wegen der Schwierigkeit der Herstellung oder eines verringerten zur Verfügung stehenden Raumes für die Anbringung des Katalysatorpackungsbetts mit einem Drehwinkel außerhalb des genannten Bereichs angeordnet werden muß.

Wenn der Drehwinkel des Kat^lysatorpackungsbetts außerhalb des Bereichs von 5 bis JO⁰ liegt, tritt eine merkliche Strömungsablenkung auf, wie oben erläutert wurde, und deshalb sind hier Einlaßströ'mungs^Ausgleichsführungsplatten 17 und Auslaßströmungs-Ausgleichsführungsplatten am Einlaßende bzw. am Auslaßende des Katalysatorpackungsbetts 14A vorgesehen. Das Katalysatorpackungsbett l4A ist an einem Rahmen 21 des Katalysar-eaktionsvorrichtungs-

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körpers mittels Oberendenhaiterungen 19 des Betts und Unterendenhalterungen 20 des Betts befestigt, und Drahtnetze 22 zum Zusammenhalten der Katalysatoren sind zwischen den Oberendenhalterungen 19 und den Unterendenhalterungen 20 angebracht. Das Katalysatorpackungsbett ist also derart aufgebaut, daß sich die Füllung von Katalysatoren zwischen den Drahtnetzen 22 befindet. So können, indem man die Einlaßströmungs-Ausgleichsführungsplatten 17 und die Auslaßströmungs-Ausgleichsführungsplatten 18 an den Drahtnetzen 22 befestigt, diese Führungsplatten dazu dienen, gleichzeitig als Verstärkungselemehte zum Verhindern einer Ausdehnung der Drahtnetze 22 aufgrund des Gewichts der Katalysatoren zu wirken.

Wie vorstehend beschrieben, wird in der erfindungsgemäßen Katalysereaktionsvorrichtung ein mit Katalysatormaterial gefülltes Katalysatorpackungsbett in wenigstens einer Vertikalebene unter einem bestimmten Drehwinkel gegenüber der Strömungsrichtung einer zu behandelnden Gasmischung vorgesehen, und daher kann die Gasmischung nahezu gleichmäßig durch das Katalysatorpackungsbett strömen, ohne daß sich ein Druckunterschied zwischen der Einlaßabgasleitungsseite und der Auslaßabgasleitungsseite des Katalysatorpackungsbetts entwickelt. Die katalytische Reaktion kann daher wirkungsvoll ablaufen, wobei jedes Auftreten einer störenden Strömungsablenkung der Gas mischung verhindert wird.

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Claims

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Patentansprüche

(Ώ Katalysereaktionsvorrichtung zum Entfernen eines Bestandteils aus einer Gasmischung mittels Durchleitens der Mischung durch ein in der Vorrichtung in einer senkrechten Ebene befindliches, mit Katalysatoren gefülltes Katalysatorpackungsbett, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorpackungsbett (14, l4A) unter einem bestimmten Drehwinkel (0) gegenüber der Strömungsrichtung (26) der Gasmischung angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorpackungsbett (l4A) in angenähert V-quersschnittsförmigem Aufbau angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ■ das offene Ende des Katalysatorpackungsbetts (14A) von angenähert V-querschnittsförmigem Aufbau gegen die Strömungsrichtung (26) der Gasmischung gerichtet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel (G) des Katalysatorpackungsbetts (l4A) von angenähert V-querschnittsförmigem Aufbau im Bereich von 5 bis 30° liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Strömungsausgleichsführungsplatten (17j l8) am Katalysatorpackungsbett (l4A, 22) von angenähert V-querschnittsförmigem Aufbau angebracht ist.

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