DE1667345B2 - Vorrichtung zur regelung der gastemperatur bei exothermen katalytischen reaktionen in mehrfach-katalysatorbetten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Gasteniperatur bei exothermen katalytischen Reaktionen in Mehrfach-KatalysatorbeUen durch Zumischen von kaltem Frischgas zum heißen Reaktionsgas, bestehend aus mindestens einer Prallplatte mit in der Außenfläche ausgesparten Gasdurchtrittsöffnungen, am Außenmantel der Vorrichtung angeordneten Frischgaseinleitungsöffnungen und je einer mit Löchern versehenen Vcrteilerplatte als Abgrenzung gegen die /wei angrenzenden Katalysatorbetten.

Eine solche Vorrichtung ist bekannt aus der US-PS 54 967. Bei dieser bekannten Vorrichtung, die zum Kühlen, Mischen und Verteilen des Reaktionsgas-Frischgasgeinischs jeweils zwischen zwei Katalysatorbetten bestimmt ist, befindet sich unterhalb einer Trägerplatte für ein erstes Katalysatorbett eine senkrecht zur Stromrichtung angebrachte Prallplatte, die an ihrem Außenumfang in Form von Einschnitten Gasdurchtrittsöffnungen aufweist. Oberhalb dieser ausgesparten Einkerbungen für den Gasdurchtritt in der Prallplatte befinJet sich eine umlaufende Verteilerleitung, durch welche in den freien Raum oberhalb der Prallplatte Frischgas eingeleitet werden kann. Zu diesem Zweck weist diese umlaufende Ringleitung Austrittsöffnungen für das Frischgas auf, die sich unmittelbar neben den Gasdurchtrittsöffnungen in der Prallplatte befinden.

Auf diese Weise läßt sich zwar durch die Zufuhr von Kalt- oder Heißgas zum Reaktionsgas eine Mischwirkung auf die Gase insgesamt ausüben, die jedoch nicht so vollständig ist, daß in dem jeweils vorherliegenden Katalysatorbett erzeugte Temperaturunterschiede ausreichend ausgeglichen werden können. Solche Tempe raturunterschiede ergeben sich aus mehreren Gründen bei Katalysatorbetten enthaltenden Reaktionsgefäßen, ob sie nun einen großen oder auch einen kleinen Durchmesser aufweisen. So kann beispielsweise der Katalysator in einem Teil des Bettes aktiver als in einem anderen Teil sein oder durch entsprechende Beimengungen in den Reaktionsgasen desaktiviert sein. Fs können sich auch Ungleichmäßigkeiten in der Zusammensetzung der reagierenden Gase quer über das Katalysatorbett ergeben, so daß öitliche Bereiche höherer oder niedrigerer Reaktionsgeschwindigkeit vorhanden sind. Schließlich kann auch die Packungsdichte des Katalysators im Bett lokale heiße oder kalte Stellen erzeugen. Die Zugabe von frischen kühlen Gasen über die Ringverteilerleitung bei der bekannten Vorrichtung reduziert zwar die sich ergebenden Temperaturunterschiede im Hauptbehandlungsstrom. kann diese jedoch nicht entfernen, weil keine Möglichkeiten bestehen, eine intensive Vermischung beider Gasarten vornehmen zu können. Das ledigliche gemeinsame Durchströmen der umfangsmäßigen Einkerbungen an der Prallplatte reicht für eine Vermischung nicht aus, weil der darunterliegende Raum unmittelbar über eine relativ grobe Löcher aufweisende zweite Prallplatte mit dem nächstfolgenden Katalysatorbett verbunden ist und daher eine Beeinflussung der Gasströme und damit eine Verteilung und Vermischung der Gase nicht mehr möglich ist. Auch gelingt es nicht, eine innige Vermischung der Reaktionsgas selbst in Querrichtung zu erzielen.

Werden jedoch die Temperaturunterschiede vor dem Einführen der Gase in die nächste Katalysatorbettzone nicht entfernt, dann wird der Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung reduziert, es ergeben sich unzutreffene Temperaturangaben, wobei die Wirkung der Temperaturunterschiede im nächsten Katalysatorbett noch verstärkt werden kann.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß es nicht gelingt, in Querrichtung zu den Katalysatorbetten ein gleichmäßiges Strömungsprofil aufrechtzuerhalten, denn die nachgeschaltete, mit Löchern versehene Verteilerplatte ist nicht in der Lage, die hohe Geschwindigkeit der durch die ausgesparten Gasdurchtrittsöffnungen strömenden Reaktionsgase so zu dämpfen und zu reduzieren, daß Beschädigungen des nachfolgenden Kaialysatorbetts durch eine mechanische Einwirkung des Hochgeschwindigkeits-Gasstroms vermieden werden kann. Es ergibt sich gerade in diesem Bereich eine Kanalbildung und ein ungleichmäßiger Fluß der strömenden Gase, was im übrigen auch hauptsächlich für die unzureichende Vermischung von Frischgas mit Reaktionsgas verantwortlich ist.

Wesentlich ist jedoch bei einer solchen Vorrichtung, bei der ein Reaktionsgas in einer Reihe aufeinanderfol-

gender Katalysatorbetten behandelt wird, daß die Temperatur in den Reaktionszonen innerhalb enger Bereiche geregelt wird, um die Ausbeute aus dem Rohmaterial maximal zu gestalten und die Herstellung unerwünschter Nebenprodukte möglichst gering zu halten. Die Reaktion ist jedoch in beträchtlichem Umfang exotherm, wenn man, um ein Beispiel zu geben, Methanol aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff erzeugt, so daß sich ein großer Temperaturanstieg der Reaktionsgase ergibt

Ein solcher Temperaturanstieg läßt sich bei der bekannten Vorrichtung durch die schon erwähnte Einführung von Frischgasen, beispielsweise durch das Hinzufügen von kühlen, zusätzlichen Reaktionsgasen vermeiden, so daß die Gastemperatur einer Regelung unterworfen werden kann. Die Einleitung dieser frischen kühlen Gase erfolgt durch die schon erwähnte Verteilerleitung, die jeweils, zusammen mit den Prallplatten und Verteilerplatten in Zwischenräumen zwischen den Katalysatorbetten angeordnet ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung der Gastemperatur bei exothermen katalytischen Reaktionen in Mehrfach-Katalysatorbetten durch Zumischen von kaltem Frischgas zum heißen Reaktionsgas zu schaffen und die Temperatur der Reaktionsgase präzise und feinfühlig zu regeln und beispielsweise die exotherm verlaufende Bildung von Methanol aus Synthesegas innerhalb eines optimalen Temperaturbereichs durchzuführen.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von der eingangs genannten Vorrichtung und ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine zweite, senkrecht zur Stromrichtung angeordnete Prallplatte, wobei die zweite Prallplatte gegen den Zylinderinnenmantel hin und die erste Prallplatte gegen den Zylinderaußenmantel hin einen radialen Öffnungsspalt aufweisen, einem mit einer Vielzahl von Löchern versehenen Zwischenring, der die beiden Prallplatten zur Bildung einer Msichkammer verbindet, ferner durch dem Zwischenring gegenüberliegende Frischgaseinleitungsöffnungen, eine Mischanordnung in der Mischkammer und eine zweite, senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnete, ebenfalls mit Löchern versehene Verteilerplatte.

Bei der Erfindung ist vorteilhaft, daß aas Zumischen des kalten Frischgases zu den heißen Reaktionsgasen zwar ebenfalls aus einer Verteilerringleitung erfolgt, die um den Umfang einer Prallplatte läuft, jedoch in einen offenen Ringspalt, der gebildet ist von einem Zwischenring und der nach innen gerichteten Wandung der Ringleitung. Aus diesem Ringraum strömen dann die schon in diesem Bereich miteinander in Berührung gekommenen Gase durch Öffnungen im Zwischenring in eine eng umgrenzte Mischkammer, durch welche der Gasfluß in im wesentlichen radialer Richtung nach innen strömt. In dieser Mischkammer ist auch eine Mischanordnung vorgesehen, die eine weitere innige Vermischung der Gase bewirkt. Aufgrund einer solchen Ausbildung können sich keine separaten Teilströme ergeben und es ergibt sich ein völliger Temperaturausgleich auf einem gewünschten Temperaturwert, der sich durch Erhöhung oder Verminderung der zugeführten Frischluft je nach Wunsch einstellen läßt.

Besonders vorteilhaft ist weiter, daß die innig miteinander gemischten Gase völlig gleichmäßig auf das nachfolgende Katalysatorbett verteilt werden können. Hierzu sind insgesamt zwei Verteilerplatten vorgesehpn Hip der Mischkammer nachgeordnet sind und wobei die erste eine verhältnismäßig hohe Gasgeschwindigkeit und damit eine gute Verteilung der die Mischkammer verlassenen Gase ermöglicht, während die zweite Verteilerplatte so ausgebildet ist, daß die innig miteinander vermischten Gase mit einer verhältnismäßig niedrigen Gasgeschwindigkeit und bei einem Druck in das nachfolgnede Katalysatorbett eintreten, wodurch eine Beschädigung oder Abnutzung der Katalysatorteile vermieden wird.

Die Erfindung ermöglicht eine außerordentlich enge Temperaturregelung bei katalytischen Reaktionen in der Gasphase, wenn mehrere Katalysatorbetten hintereinander angeordnet sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Teilansicht mit der Vorrichtung zur Regelung der Gastemperatur bei einer Mehrfach-Katalysatorbettanordnung,

F i g. 2 eine Draufsicht auf die Darstellung der F ι g. 1 im Ausschnitt und

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer die erfindungsgemäße Vorrichtung aufweisenden Mehrfach-Katalysatorbettanordnung.

In der Zeichnung ist die Mehrfach-Katalysatorbettanordnung, bestehend aus einer Vielzahl einzelner Zonen, als Ganzes mit 10 bezeichnet; ein äußerer, zylindrischer Mantel 12 umgibt Katalysatorbetten 14 und 16. Die einzelnen Katalysatorbetten enthalten einen üblichen Zinkoxyd-Chromoxyd-Methanol-Synthese-Katalysator mit einer Partikelgröße von ungefähr b.25 mm. Der Katalysator ist auf einer Trägerplatte 18 angeordnet, die Perforationen 20 aufweist, um einen Durchgang für die vom Katalysatorbett 1 zum Interzonenraum fließenden Gase bei minimalem Druckabfall zu schaffen. Ein axial angeordnetes Zuflußrohr 21 dient als Hauptgaszuführung, die am obersten Katalysatorbett gezeigt ist. Unterhalb der Trägerplatte 18 ist eine kreisförmige Prallplatte 22, ceren Durchmesser kleiner als der des Mantels 12 ist. senkrecht zur Stromrichtung der die das Katalysatorbett verlassenden Gase angeordnet. Die konzentrisch im Zwischenraum zwischen den Katalysatorbetten angeordnete Prallplatte bildet zusammen mit dem Mantel 12 einen ringförmigen radialen Durchgang oder Öffnungsspalt 23, durch den die Gase hindurchfließen müssen. Eine ringförmige zweite Prallplatte 24 vom gleichen Durchmesser wie der Mantel ist unterhalb der Prallplatte 22 angeordnet und mit dem Mantel 12 fest verbunden. Der innere Durchmesser der Prallplatte 24 isi etwas größer als der des axialen Zuflußrohres 21, so daß sich dort ein zweiter ringförmiger Öffnungsspalt 25 ergibt, durch den Gase hindurchfließen, die, wie weiter unten noch beschrieben wird, gemischt werden. Ein senkrecht angeordneter zylindrischer Zwischenring 26 verbindet den äußeren Umfang der Prallplatte 22 mit der Prallplatte 24, so daß hierdurch eine Mischkammer 28 entsteht. Der Zwischenring 26 ist gegenüberliegend einer am Umfang angeordneten Zusatzgasen dient, die über ein Zuführrohr 31 zugeliefert und dem zwischen den Katalysatorbetten 14 und 16 fließenden Gasstrom zugemischt werden. Der Zwischenring 26 hat eine Vielzahl von öffnungen 32, so daß die Gase horizontal zur Mischkammer 28 fließen. Diese öffnungen sind gegenüber von Löchern 34 in der Verteilerleitung 30 angeordnet, durch die die Zusatzgase dem Hauptgas-

strom zufließen, der dann in die Mischkammer 28 eintritt. Ein Vorteil dieser Bauart besteht darin, daß der Gashauptstrom die Zusatzgase in den Hauptstrom einsaugt, so daß eine gute Anfangsmischung entsteht. Die Mischkammer 28 enthält an ihrem inneren Umfang eine Vielzahl von senkrecht angeordneten Mischflügeln 36, die unter einem Winkel zur Radialrichtung angeordnet sind, um so einen turbulentsn Umfangsgasstrom in der Mischkammer zu erzeugen. Durch diese Flußanordnung, durch die nicht nur die Zusatzgase mit den Hauptstromgasen gründlich gemischt werden, sondern auch der ganze Strom in sich selbst gemischt wird, werden vorhandene Temperatur- und/oder Zusammensetzungs- und Verteilungsunterschiede ausgeglichen. Es kann dabei irgendeine bekannte Mischanordnung in dieser Mischkammer verwendet werden, doch werden vorzugsweise die vorerwähnten Mischflügel angebracht, da hierdurch eine gute Mischung ohne fühlbaren Druckabfall erzielt wird. Die gemischten Gase fließen schließlich nach unten durch den Öffnungsspalt 25 auf eine Verteilerplatte 38. Diese Verteilerplatte ist sowohl am Mantel 12 als auch am Zuflußrohr 21 befestigt und hat eine Vielzahl von Löchern 40, die in Größen und Zahl eine gleichmäßige Verteilung dieser Mischgase quer über die Platte ergeben. Die nunmehr gemischten und verteilten Gase fließen nach unten mit hoher Geschwindigkeit auf eine zweite, kreisförmige, mit Löchern 44 versehene Verteilerplatte 42, die dicht oberhalb des Katalysatorbetts 16 angeordnet ist. Die Löcher 44 dieser Verteilerplatte 42 sind von einer solchen Größe und Anzahl, daß die Gase dem Katalysatorbett 16 mit geringerer Geschwindigkeit zuströmen, so daß eine mechanische Beschädigung der katalytisch wirkenden Teilchen vermieden wird. Die Temperaturen in dem Raum unterhalb der Trägerplatte 20 und in dem Raum unterhalb der Verteilerplatte 38 werden durch Thermoelemente 46 bzw. 48 gemessen.
Das folgende Beispiel zeigt die besonders günstige Mischung und Verteilung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Beispiel

Ein Gefäß hat einen Durchmesser von ungefähr 2,10 m und eine Gesamtlänge von ungefähr 16.75 m und wird dazu verwendet, um ein Methanol-Synthese-Verfahren durchzuführen. Das Gefäß enthält fünf Betten üblicher Zinkoxyd-Chromoxyd-Katalysatoren, und die

ίο einzelnen vier Zwischenräume "weisen die oben beschriebene Misch- und Verteilungsvorrichtung auf.

Zugegeben werden dem System stündlich ungefähr 408,23 kg Synthesegas pro 45,36 kg Methanolerzcugung. Ungefähr 75% (306,18 kg pro Stunde und pro 4536 kg Methanol) des gesamten Stromes (408.23 kg) tritt in das erste Katalysatorbett mit einer Temperatur von 360⁰C und einem Druck von 351,54 kg/cm² ein. Das Synthesegas hat eine Zusammensetzung (in Volumenprozent) von ungefähr 67% H₂,10% CO, 10% C\\_A, i% CO2 und 10% N2. Die Durchschnittstemperatur der teilweise reagierten Gase ist beim Verlassen des ersten Katalysatorbettes ungefähr 382°C, wobei örtliche Abweichungen von dieser Temperatur quer über die Trägerplatte innerhalb von ±2,8°C liegen.

Die übrigen 102,05 kg Synthesegas pro Stunde (pro 4536 kg des erzeugten Methanols) werden in vier Ströme von Zusatzgas aufgeteilt, die in die Mischkammern mit ungefähr 54° eintreten, um so eine Kühlung der teilweise reagierten Gase zu erhalten, die die Katalysatorbetten verlassen. Die Gase werden in der Mischkammer gemischt und dann verteilt. Die die Mischkammern verlassenden Gase haben eine Temperatur von ungefähr 360⁰C, wobei im wesentlichen keine Temperaturunterschiede quer zur Strombahn vorhan- den sind. Der gesamte Druckabfall von der erster Trägerplatte bis hinter die zweite Verteilerplatu beträgt ungefähr 0.21 kg/cm², wobei der größu Teilabfall an der ersten Verteilerplatte auftritt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Regelung der Gastemperatur bei exothermen katalytischen Reaktionen in Mehrfach-Katalysatorbetten durch Zumischen von kaltem Frischgas zum heißen Reaktionsgas, bestehend aus mindestens einer Prallplatte mit in der Außenfläche ausgesparten Gasdurchtrittsöffnungen, am Außenmantel der Vorrichtung angeordneten Frischgaseinleitungsöffnungen, und je einer mit Löchern versehenen Verteilerplatte als Abgrenzung gegen die zwei angrenzenden Katalysatorbetten, gekennzeichnet durch eine zweite, senkrecht zur Stromrichtung angeordnete Prallplatte (24), wobei die zweite Prallplatte (24) gegen den Zylinderinnenmantel hin und die erste Prallplatte (22) gegen den Zylinderaußenmantel hin einen radialen Öffnungsspalt (23, 25) aufweisen, einem mit einer Vielzahl von Löchern (32) versehenen Zwischenring (26), der die beiden Prallplatten (22, 24) zur Bildung einer Mischkammer (28) verbindet, ferner durch dem Zwischenring (26) gegenüberliegende Frischgaseinleitungsöffnungen (34), eine Mischanordnung (36) in der Mischkammer (28) und eine zweite, senkrecht zur Strcmungsrichtung angeordnete, ebenfalls mit Löchern (44) versehene Verteilerplatte (42).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verteilerplatte (42) unmittelbar oberhalb des nachfolgenden Katalysatorbeues (16) angeordnet ist und die erste Verteilerplatte (38) sich zwischen der Mischkammer (28) und der zweiten Verteilerplate (42) befindet und daß die Löcher (40, 44) in beiden Verteilerplatten so ausgebildet und verteilt sind, daß die von der ersten Verteilerplatte (38) mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit zur zweiten Verteilerplatte (42) strömenden Gase nach dieser mit relativ niedriger Geschwindigkeit dem nachfolgenden Katalysatorbett (16) zuströmen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischanordnung (36) aus einer Vielzahl von unter einem Winkel zur Radialrichtung angeordneten Mischflügeln besteht.