DE9000603U1 - Reactor for carrying out catalytic gas reactions or physical separation operations - Google Patents
Reactor for carrying out catalytic gas reactions or physical separation operationsInfo
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Description
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"Reaktor zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen" bzw. physikalischer Trennoperationen" "Reactor for carrying out catalytic gas reactions" or physical separation operations"
Eiie Erfindung betrifft, einen Reaktor zur Durchführung sstulytischer Gasreaktionen bzw. physikalischer Trennop^r^tionen mit ®1&kgr;&tgr;».&eegr;? 'm wesen'..liehen kugelförmigen, druckfesten Reaktormant^l und einem ins iuiaktormantei angeordneten kugelförmige? Katalysatorbett scif*e mit einem Synthesegaseintritt mit einem im Zentral Ss . kugelförmigen Katalysatorbetts angeordneten Synthesegasverteiler und mit wenigstens einem Synthe-^egasaustritt.The invention relates to a reactor for carrying out synthesis gas reactions or physical separation options with a substantially spherical, pressure-resistant reactor shell and a spherical catalyst bed arranged in the reactor shell, with a synthesis gas inlet, with a synthesis gas distributor arranged in the center of the spherical catalyst bed, and with at least one synthesis gas outlet.
Aus der italienischen Patentanmeldung IT 852 935 ist ein solcher Reaktor bekannt, welcher einen äußeren druckdichten, etwa kugelförmigen Reaktormantel aufweist, in welchem zwischen einer inneren und einer äußeren kugelförmigen, mit Öffnungen versehenen Katalysatorummantelung ein kugelförmiges Katalysatorbett angeordnet ist. Im Seitenbereich des äußeren Reaktormantels * st ein horizontaler Synthesegaseintritt angeordnet, der durch das Katalysatorbett hindurch in das Innere der inneren Katalysatorummantelung in weitere Verteilrohre mundet, die ihrerseits in den zwischen der äußeren Katalyeatorummantelung und dem Reaktormantel gebildeten kugelschalenförmigen Raum münden. Weiterhin ist an der gegenüberliegenden Seite des Synthesegaseintritts am Reaktormantel ein vom Innenraum der inneren Kata-Such a reactor is known from the Italian patent application IT 852 935, which has an outer pressure-tight, approximately spherical reactor shell, in which a spherical catalyst bed is arranged between an inner and an outer spherical catalyst shell provided with openings. In the side area of the outer reactor shell * there is a horizontal synthesis gas inlet, which leads through the catalyst bed into the interior of the inner catalyst shell into further distribution pipes, which in turn open into the spherical shell-shaped space formed between the outer catalyst shell and the reactor shell. Furthermore, on the opposite side of the synthesis gas inlet on the reactor shell there is a
% lysatorununantelung ausgehender horizontaler Synthesegasaus- % lysatorununtangling of outgoing horizontal synthesis gas output
tritt angeordnet. Das Synthesegas wird über den Synthese-The synthesis gas is fed via the synthesis
i& gaseintritt und die Verteileinrichtungen in den kugelscha- i& gas inlet and the distribution devices in the ball valves
fV lenförmiger Raum geführt und strömt von dort etwa radialfV len-shaped space and flows from there approximately radially
;S von außen nach innen durch das Katalysatorbett, in welchen;S from outside to inside through the catalyst bed, in which
die Reaktion stattfindet, um anschließend in dsi Innenraumthe reaction takes place, and then in the interior
der inneren Katalysatorummantelung einzutreten und durch den Synthesegasaustritt abgerührt zu werden.the inner catalyst casing and to be removed through the synthesis gas outlet.
Der bekannte kugelförmige Reaktor zeichnet sich im Vergleich zu sonst üblichen zylinderförmigen Reaktoren insbesondere durch eine wesentlich höhere Druckfestigkeit aus, d.h. es können bei vergleichbaren Reaktormantelmaterialien geringere Wandstärken verwendet oder bei etwa gleichen Wandstärken können einfachere, weniger feste Mantelmaterialien eingesetzt werden, wodurch die Herstellungskosten entsprechend wesentlich verringert werden. Von Nachteil bei der bekannten Lösung ist jedoch der relativ aufwendige und komplizierte Reaktoraufbau, da üur Ausbildung des kugelschalenförmigen Synthesennsverteilraumes zusätzlich zum Reaktormantel eine äußere Katalysatorummantelung und außerdem aufwendige Gasverteileinrichtungen zur Leitung des Synthesegases vom Zentrum in den kugelschalenförmigen Raum notwendig sind. Vor allem hat sich herausgestellt, daß sich im Katalysatorbett kein definiertes, vorherbestimmba-The known spherical reactor is characterized in comparison to the usual cylindrical reactors in particular by a significantly higher pressure resistance, i.e. with comparable reactor shell materials, smaller wall thicknesses can be used or with approximately the same wall thicknesses, simpler, less solid shell materials can be used, which significantly reduces the manufacturing costs. The disadvantage of the known solution, however, is the relatively complex and complicated reactor structure, since in order to form the spherical shell-shaped synthesis distribution space, in addition to the reactor shell, an external catalyst shell and complex gas distribution devices for directing the synthesis gas from the center into the spherical shell-shaped space are necessary. Above all, it has been found that there is no defined, predeterminable
re& Strömungsprofil einstellt, so daß es schwierig ist, die Synthesereaktion im gewünschten Maße durchführen zure& flow profile, making it difficult to carry out the synthesis reaction to the desired extent
können.can.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der ein derartiger kugelförmiger Reaktor vereinfacht und insbesondere ein definiertes Strömungsprofil im Katalysatorbett eingestellt werden kann.The object of the invention is to provide a solution with which such a spherical reactor can be simplified and, in particular, a defined flow profile can be set in the catalyst bed.
Mit einem Reaktor der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Bildung einer definierten Strömung des Synthesegases im wesentlichen radial von innen nach außen der Synthesegasverteiler kugelförmig mit einer perforierten Außenfläche ausgebildet und der Synthesegasaustritt von einer Mehrzahl am Reaktormantel verteilt angeordneter Gasaustritte mit den Reaktormantel durchdringenden Gassammelleitungen gebildet ist.With a reactor of the type described at the outset, this object is achieved according to the invention in that, in order to form a defined flow of the synthesis gas essentially radially from the inside to the outside, the synthesis gas distributor is spherical with a perforated outer surface and the synthesis gas outlet is formed by a plurality of gas outlets distributed on the reactor shell with gas collecting lines penetrating the reactor shell.
Durch diese Ausbildung wird der Reaktor vereinfacht, da keine aufwendigen Verteileinrichtungen für das Synthesegas und neben dem Reaktormantel keine das Katalysatorbett begrenzenden weiteren Katalysatorummantelungen erforderlich sind. Durch die Ausbildung des Synthesegasverteilers und des Synthesegasaustritts mit der Mehrzahl von Gasaustritten wird im Katalysatorbett eine weitgehend genau definierte Strömung des Synthesegases radial von innen nach außen erreicht.- wobei der Reaktionsraum nach außen hin zunimmt, was aufgrund des nach außen hin zunehmenden Reaktionsablaufes und der ebenfalls zunehmenden Wärmeentwicklung bei exo-This design simplifies the reactor, as no complex distribution devices for the synthesis gas and no additional catalyst casings are required to limit the catalyst bed in addition to the reactor jacket. By designing the synthesis gas distributor and the synthesis gas outlet with the majority of gas outlets, a largely precisely defined flow of the synthesis gas radially from the inside to the outside is achieved in the catalyst bed. - whereby the reaction space increases towards the outside, which is due to the increasing reaction process towards the outside and the likewise increasing heat development in the case of exo-
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thermen Reakticnen von entsprechend großem Vorteil ist.thermal reactions is of correspondingly great advantage.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Gasaustritte jeweils einen mit dem Katalysatorbett in Verbindung stehenden Gassammeikörper mit perforierter Kontaktfläche aufweisen, wobei der Gassammeikörper bevorzugt konisch, korbförmig, zylinderförmig oder scheibenförmig ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltungen kann eine besonders große Austrittsfläche am jeweiligen Gassammeikörper bereitgestellt werden, wodurch entsprechend ein definiertes Strömungsprofil des Synthesegases im wesentlichen radial von innen nach außen gewährleistet wird und Totzonen im Katalysatorbett vermieden werden.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the gas outlets each have a gas collector body connected to the catalyst bed with a perforated contact surface, the gas collector body preferably being conical, basket-shaped, cylindrical or disk-shaped. These embodiments make it possible to provide a particularly large outlet surface on the respective gas collector body, which accordingly ensures a defined flow profile of the synthesis gas essentially radially from the inside to the outside and avoids dead zones in the catalyst bed.
Vorteilhaft ist es, wenn die Gassammelleitungen der Gasaustritte außerhalb des Reaktormantels mit einer zentralen Gasabführleitung verbunden sind. Diese Gasabführleitung ist dann außerhalb des Reaktormantels angeordnet.It is advantageous if the gas collection lines of the gas outlets outside the reactor shell are connected to a central gas discharge line. This gas discharge line is then arranged outside the reactor shell.
In weiterer Ausgestaltung sieht die Erfindung vorteilhaft auch vor, daß im Bereich der Reaktoroberseite ein gefüllter Katalysatordom zum Volumenausgleich beim erstmaligen Anfahren des Reaktors angeordnet ist. Bei Verwendung spezieller Katalysatoren, z.B. von Kupfer-Katalysatoren, die in der Anfahrphase des Reaktors um etwa 10 % schrumpfen, wird dann auf konstruktiv besonders einfache Weise ein selbsttätiges Nachrutschen von Katalysator und damit eineIn a further embodiment, the invention advantageously also provides that a filled catalyst dome is arranged in the area of the reactor top to compensate for the volume when the reactor is started up for the first time. When using special catalysts, e.g. copper catalysts, which shrink by about 10% during the start-up phase of the reactor, the catalyst then slides down automatically in a particularly simple construction and thus
vollständige Befüllung des Reaktorinnenraumes mit Katalysator gewährleistet.complete filling of the reactor interior with catalyst is guaranteed.
Konstruktiv besonders günstig ist es dann, daß der Synthesegaseintritt durch den Kataiysatordom geführt ist. Es ist dann nicht notwendig, am kugelförmigen Reaktoraußenmantel einen zusätzlichen Anschlußflansch vorzusehen, vielmehr kann der Anschlußflansch des Katalysatordoms entsprechend auch für den Synthesegaseintritt benutzt werden.From a structural point of view, it is particularly advantageous if the synthesis gas inlet is guided through the catalyst dome. It is then not necessary to provide an additional connection flange on the spherical outer reactor shell; instead, the connection flange of the catalyst dome can also be used for the synthesis gas inlet.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Synthesegasverteiler zusätzlich mit einer Quenchgaszuführung verbunden ist, wodurch eine Temperaturregelung, insbesondere Kühlung, im Reaktor möglich ist. Es kann aber auch tiin dem Reaktor nachgeschalteter Wärmeaustauscher zum Wärmeaustausch außerhalb des Reaktors vorgesehen sein.A further embodiment of the invention provides that the synthesis gas distributor is additionally connected to a quench gas supply, whereby temperature control, in particular cooling, is possible in the reactor. However, a heat exchanger connected downstream of the reactor can also be provided for heat exchange outside the reactor.
Der erfindungsgemäße Reaktor ist insbesondere zur Verwendung zur Methanol- oder Ammoniaksynthese, zur CO-Konvertierung, zur Methanisierung oder zur Hydrierung bzw. selek- _iven Hydrierung von Kohlenwasserstoffen oder zur Aufnahme von physikalisch arbeitenden Massen geeignet, wie Aktivkohle oder Zinkoxid, z.B. zur Adsorption von H^S> CO2 und H , Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid und Quecksilber.The reactor according to the invention is particularly suitable for use in methanol or ammonia synthesis, for CO conversion, for methanation or for hydrogenation or selective hydrogenation of hydrocarbons or for the absorption of physically operating masses, such as activated carbon or zinc oxide, e.g. for the adsorption of H^S > CO 2 and H , hydrogen sulphide, carbon dioxide and mercury.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläuert. Diese zeigt inThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing. This shows in
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Fig. 1 einen vereinfachten Schnitt durch einen Reaktor gemäß der Erfindung undFig. 1 shows a simplified section through a reactor according to the invention and
Fig. 2 ein verfahrenst!ieübiid einer Methanolsynthese unter Einsatz erf indungsgemä'ßer Reaktoren nach Fig. 1 .Fig. 2 shows a process diagram of a methanol synthesis using reactors according to the invention as shown in Fig. 1.
Ein Reaktor zur Durchführung katalytischer Gasreaktionen, insbesondere für die Methanol- oder Ammoniaksynthese, die CO-Konvertierung, die Methanisierung oder die selektive Hydrierung, ist in der Zeichnung allgemein mit 1 bezeichnet. Der Reaktor 1 weist zunächst einen im wesentlichen kugelförmigen, druckfesten Reaktormantel 2 auf, an dessen Oberseite ein Katalysatordom 3 druckdicht angeordnet ist. Der Katalysatordom 3 ist mit einem Katalysatorfüllstutzen 4 und einem Mannloch 5 versehen und enthält ein mit 6 bezeichnetes Katalysatorvorhaltevolumen.A reactor for carrying out catalytic gas reactions, in particular for methanol or ammonia synthesis, CO conversion, methanation or selective hydrogenation, is generally designated 1 in the drawing. The reactor 1 has an essentially spherical, pressure-resistant reactor shell 2, on the top of which a catalyst dome 3 is arranged in a pressure-tight manner. The catalyst dome 3 is provided with a catalyst filling nozzle 4 and a manhole 5 and contains a catalyst reserve volume designated 6.
An der Oberseite des Katalysatordomes 3 und damit ebenfalls an der Oberseite des Reaktors ist ein Synthesegaseintritt angeordnet, der in Fig. 1 durch den Pfeil 7 angedeutet ist. Dieser Gaseintritt 7 weist eine Leitung S auf, die durch den Katalysatordom 3 geführt und in einem im Zentrum des kugelförmigen Reaktormantels 2 angeordneten kugelförmigen Synthesegasverteiler 9 mündet. Der Synthesegasverteiler 5 weist eine perforierte Außenfläche 10 auf und istA synthesis gas inlet is arranged on the top of the catalyst dome 3 and thus also on the top of the reactor, which is indicated in Fig. 1 by the arrow 7. This gas inlet 7 has a line S, which leads through the catalyst dome 3 and opens into a spherical synthesis gas distributor 9 arranged in the center of the spherical reactor shell 2. The synthesis gas distributor 5 has a perforated outer surface 10 and is
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im Zentrum des mit 11 bezeichneten kugelförmigen Katalysatorbetts im Reaktormantel 1 angeordnet.in the centre of the spherical catalyst bed designated 11 in the reactor shell 1.
Der Synthesegasaustritt ist von einer Mehrzahl von Gasaustritten 12 gebildet, die bevorzugt symmetrisch verteilt an der Innenseite des Reaktormantels 2 angeordnet sind. Die Gasaustritte 12 weisen jeweils einen Gassamme1körper 13 mit perforierter Kontaktfläche 14 innerhalb des Reaktors auf, wobei die Sammelkörper 13 eine unterschiedliche Raumform aufweisen können. In Fig. 1 ist beispielhaft ein konischer Sammelkörper mit 13a, ein zylinderförmiger Gassammelkörper mit 13b und ein scheibenförmiger Gassammeikörper mit 13c bezeichnet.The synthesis gas outlet is formed by a plurality of gas outlets 12, which are preferably arranged symmetrically distributed on the inside of the reactor shell 2. The gas outlets 12 each have a gas collector 13 with a perforated contact surface 14 inside the reactor, whereby the collectors 13 can have a different spatial shape. In Fig. 1, for example, a conical collector is designated with 13a, a cylindrical gas collector with 13b and a disk-shaped gas collector with 13c.
Selbstverständlich ist bei einem Reaktor für alle Gassammelkörper 13 nur eine einheitliche Raumform vorgesehen, um ein einheitliches Strömungsprofil im Reaktor zu gewährleisten. Jeder Gassammeikörper 13 ist mit einer Gassammelleitung 15 versehen, die den Reaktormantel 2 durchdringt und in Gasabführleitungen 16 außerhalb des Reaktormantels 2 mündet. Diese GasabfUhrleitungen 16 sind vorzugsweise in eine in Fig. 1 nicht dargestellte zentrale GasabfUhrleitung zusammengeführt, die Strömungsrichtung ist durch Pfeile 16a angedeutet.Of course, in a reactor, only one uniform spatial shape is provided for all gas collecting bodies 13 in order to ensure a uniform flow profile in the reactor. Each gas collecting body 13 is provided with a gas collecting line 15 which penetrates the reactor shell 2 and opens into gas discharge lines 16 outside the reactor shell 2. These gas discharge lines 16 are preferably combined into a central gas discharge line (not shown in Fig. 1); the flow direction is indicated by arrows 16a.
An der Reaktorunterseite ist ein KatalysatorauslaOstutzen 17 angeordnet, durch den verbrauchter Katalysator entnom-A catalyst outlet nozzle 17 is arranged on the bottom of the reactor through which spent catalyst can be removed.
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men werden kann. Am Katalysatordom 3 kann zusätzlich auch noch eine Reduktionseinrichtung für den Katalysator vorgesehen sein, die in der Zeichnung nur durch aiisi Anschlußleitung 18 angedeutet ist, die vom Synthesegaseintrict · abzweigt und in den Katalysatordom 3 mündet.A reduction device for the catalyst can also be provided on the catalyst dome 3, which is only indicated in the drawing by a connecting line 18, which branches off from the synthesis gas inlet and opens into the catalyst dome 3.
Wie erkennbar, wird durch die Anordnung des Synthssegasver·1 teilers 9 im Zentrum vom des Katalysatorbetts 11 und der Vielzahl der Gasaustritte 12 an der Innenseite des Reaktormantels 2 eine im wesentlichen radiale Strömung des Synthesegases von innen nach außen erreicht, ein solches Strömungsprofil ist vereinfacht in Fig. 1 dargestellt und mit 19 bezeichnet. Neben dem Synthesegaseintritt 7 kann auch noch eine Quenchgaszufuhrung zur Temperaturregelung des Reaktors vorgesehen sein, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Eine solche Quenchgaszuführung ist dann bevorzugt mit dem Synthesegasverteiler 9 verbunden.As can be seen, the arrangement of the synthesis gas distributor 9 in the center of the catalyst bed 11 and the large number of gas outlets 12 on the inside of the reactor shell 2 results in an essentially radial flow of the synthesis gas from the inside to the outside. Such a flow profile is shown in simplified form in Fig. 1 and designated 19. In addition to the synthesis gas inlet 7, a quench gas supply can also be provided for temperature control of the reactor, which is not shown in the drawing. Such a quench gas supply is then preferably connected to the synthesis gas distributor 9.
In Fig. 2 ist die Anwendung eines Reaktors nach Fig. 1 dargestellt, wobei Fig. 2 eine Methanolsyntheseanlage zeigt, in der drei kugelförmige Reaktoren 1 vorgesehen sind.Fig. 2 shows the application of a reactor according to Fig. 1, wherein Fig. 2 shows a methanol synthesis plant in which three spherical reactors 1 are provided.
Frischgas 21 und Kreislaufgas 22 werden zunächst zu einem Gasstrom 23 gemischt. Dieser Gasstrom 23 wird anschließend in einem Verdichter 24 zu einem Gasstrom 25 verdichtet. Dieser verdichtete Gasstrom 25 wird dann mit einem C0o-Gasstrom 26 zu einem Gasstrom 27 vermischt.Fresh gas 21 and recycle gas 22 are first mixed to form a gas stream 23. This gas stream 23 is then compressed in a compressor 24 to form a gas stream 25. This compressed gas stream 25 is then mixed with a CO o gas stream 26 to form a gas stream 27.
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Der Gasstrom 27 wird daraufhin in einem Gas-/Gaswärmeaustauscher 28 bzw. in der änfahrphasa in einem Anfahrwarmeaustauscher 29, der mit einem externen Heizmecixum 30 beaufschlagt ist, vorgewärmt. Der vorgewärmt^ Synthesefaser &ngr;-:ss. 27 wird dann in den ersten kugelförmigen Reaktor 1 eingeleitet, vofcsi >ach Res" .tion in demselben das austretende Gas Über di *» einzelnen Ga sale ab£uhr leitungen 16 in eine zentrale Gasa'.führleitung 16' geleitet wird. Das Methanolproduktgas der Leitung 16* w±i:i .ann 7.n einem ersten Mitteldruck-Dampferzeuger 31, dessen Mitteldruckdampfleitung mit 3 2 angedeutet, ist, abgekühlt und anschließend wird das abgekühlte Methanolproduktgas 33 in einen zweiten kugelförmigen Reaktor 1 eingeleitet.The gas stream 27 is then preheated in a gas/gas heat exchanger 28 or, in the start-up phase, in a start-up heat exchanger 29 which is supplied with an external heating medium 30. The preheated synthetic fiber stream 27 is then introduced into the first spherical reactor 1, after which, after reaction therein, the escaping gas is passed via the individual gas discharge lines 16 into a central gas supply line 16'. The methanol product gas from line 16' is then cooled in a first medium-pressure steam generator 31, the medium-pressure steam line of which is indicated by 32, and the cooled methanol product gas 33 is then introduced into a second spherical reactor 1.
Nach Durchströmung des zweiten Kugelreaktors 1 und Reaktion in demselben erfolgt eine weitere Abkühlung des entstandenen Methanolproduktgases 34 in einem zweiten Mitteldruck-Dampferzeuger 31a, in dem Mitteldruckdampf 32a erzeugt wird.After flowing through the second spherical reactor 1 and reacting therein, the resulting methanol product gas 34 is further cooled in a second medium-pressure steam generator 31a, in which medium-pressure steam 32a is generated.
Das abgekühlte Methanol-Produktgas 34 wird dann ggf. weiteren Reaktoren 1 zugeführt, je nach den gewünschten Reaktionsablbufen, letztendlich gelangt es jedoch in einen letzten kugelförmigen Reaktor 1, dessen Produktgas 35 dann zur Abkühlung durch den Gas-VGaswairmeaustauscher 28 geleitet wird. Das abgekühlte Produktgas 36 kann dann in einemThe cooled methanol product gas 34 is then fed to further reactors 1, depending on the desired reaction sequences, but ultimately it reaches a final spherical reactor 1, whose product gas 35 is then passed through the gas-gas heat exchanger 28 for cooling. The cooled product gas 36 can then be
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Luftkühler 37 und ggf. in einem Kondensator 38 weiter abgekühlt werden, dessen Kühlwasserleitung mit 39 bezeichnetAir cooler 37 and possibly further cooled in a condenser 38, whose cooling water line is designated 39
Das abgekühlte Produktgas 40 wird dann in einem vorzugsweise zweigeteilten Abscheider 41 in Rohmethanol 42, Kreislaufgas 22, Entspannungsgas 43 und Purgegas 44 getrennt.The cooled product gas 40 is then separated in a preferably two-part separator 41 into raw methanol 42, cycle gas 22, expansion gas 43 and purge gas 44.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen d«»r Erfindung sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So kann der erfindungsgemäße Reaktor selbstverständlich auch für andere katalytische Gasreaktionen und insbesondere auch für physikalische Trenroperationen eingesetzt werden.Of course, the invention is not limited to the embodiments shown in the drawing. Further refinements of the invention are possible without departing from the basic idea. The reactor according to the invention can of course also be used for other catalytic gas reactions and in particular for physical separation operations.
Claims (7)
dadurch gekennzeichnet,2. Reactor according to claim 1,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,3. Reactor according to claim 2,
characterized,
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