DE2816062C3 - Methanisierungsreaktor - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Methanisierungsreaktor aus einem Reaktorkörper, welcher eine Durchführung für Thermofühler in das zu methanisierende Gas, ein einzoniges Katalysatorbett, Kühleinrichtungen und ein oberes Eintritts-Dichtungssystem sowie ein unteres Austritts-Dichtungssystem besitzt

Reaktoren für die Methanisierung sind bekannt. Es handelt sich dabei im allgemeinen um vertikale Zylinder, die eine oder mehrere Katalysatorschichten enthalten. Bei Betrieb treten die heißen zu methanisierenden Gase mit einer Temperatur von etwa 300⁰C in den Reaktor ein, durchströmen das Katalysatorbett und verlassen den Reaktor mit einer Temperatur von etwa 350° C. Das heiße Gasgemisch gelangt dann zu einem äußeren Wärmeaustauscher und wärmt dort die kalten ankommenden Gase auf etwa 300⁰C vor.

Die bekannten Methanisierungsreaktoren haben den Nachteil, daß die umzusetzenden heißen Gase mit dem Reaktormantel eine bestimmte Zeit in Berührung stehen, so daß man unter niederen Drucken arbeiten muß, oder aber es muß für den Reaktormantel ein sehr kostspieliger Werkstoff, wie korrosionsbeständiger Stahl, oder eine feuerfeste Auskleidung, die der direkten Berührung der Gase zu widerstehen vermag, angewandt werden. Dies führt zu beträchtlichen Investitionskosten wegen der benötigten großen Wandstärke der Auskleidung, so daß auch die Reaktoren beträchtlich überdimensioniert werden müssen.

Aus der DE-OS 25 04 343 ist ein Reaktor, der beispielsweise für die Konvertierung oder Methanisierung dienen kann, bekannt, der ein ein- oder mehrzoniges Katalysatorsystem aufweist. Das Ausgangsmaterial wird in mindestens 2 Teilströme aufgeteilt, wobei der 1. Teilstrom das gesamte Katalysatorbett durchströmt, während der oder die weiteren Teilströme nur örtlich begrenzte Bereiche des Katalysatorsystems durchströmen. Der Methanisierungsreaktor nach der DE-OS 24 27 530 ist ein zylindrischer Mantel mit Gasein- bzw. -austritt an den gegenüberliegenden Stirnseiten, wobei sich zumindest ein Teil des Katalysatorvolumens in einem Innenbehälter befindet, für den bestimmte Vorschriften für Gaseintritt bzw. Gasdurch-■ > tritt einzuhalten sind. Diese bekannten Reaktoren sind relativ aufwendige Systeme mit relativ hohen Beanspruchungen der Werkstoffe.

Aufgabe der Erfindung ist nun ein Methanisierungsreaktor, der sich zur Methanisierung der Ammoniak —

κι Synthesegase mit gleicher Leistung wie die bekannten Verfahren und Reaktoren eignet, jedoch deren Nachteile nicht besitzt, in dem der Reaktormantel bei den vergleichsweise hohen Drucken doch aus einem billigen Werkstoff bestehen kann. Durch die erfindungsgemäße

ι. Konstruktion des Methanisierungsreaktors lassen sich Kohlenstoffstähle und niederlegierte Stähle mit bis zu 0,5% Molybdän anwenden.

Die Erfindung geht nun aus von einem Methanisierungsreaktor bestehend aus einem Reaktorkörper,

?(i welcher eine Durchführung für Thermofühler in das zu methanisierende Gas, ein einzoniges Katalysatorbett Kühleinrichtungen und ein oberes Eintritts-Dichtungssystem sowie ein unteres Austritts-Dichtungssystem besitzt Er ist dadurch gekennzeichnet daß sich in dem

r> Reaktormantel 1 mit Deckel 2 eine isolierte Einheit von einem ringförmigen Katalysatorbett 7 und darunter einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher 10 befindet Zwischen dem Mantel 1 und der isolierten Einheit besteht ein Ringraum 12; der Wärmeaustauscher 10 ist

mi mit einem zum Reaktormantel 1 coaxialen, zentralen Rohr 18 verbunden, während sich die Ableitung 19 der Reaktionsgase am Boden des Mantels befindet. Im Reaktordeckel 2 kann sich zur Inbetriebnahme des Reaktors eine Zuführung 5 für extern vorgewärmtes

r> Gas befinden.

Bei dem erfindungsgemäßen Methanisierungsreaktor verbleibt der Mantel während der Reaktion auf einer vergleichsweise niederen Temperatur, so daß trotz der Druckbelastung keine kostspieligen warmfesten Stähle

4(i angewandt werden müssen.

Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor werden die kalten Gase oben in den Reaktor eingespeist und gelangen in dem Zwischenraum zwischen Reaktormantel und der Katalysatorbett-Wärmeaustauscher-Einheit

·»■> nach unten, wobei sie sich etwas erwärmen und gleichzeitig den Mantel kühlen; die Gase steigen durch den Mittelteil des Reaktors auf und umströmen die Rohre des Wärmeaustauschers, durch die die heißen Reaktionsgase strömen, so daß die Vorwärmung der

">» ankommenden Gase bis auf die Reaktionstemperatur ermöglicht wird. Die vorgewärmten Gase gelangen durch ein Rohr, welches coaxial zum Katalysatorbett ist, und durchströmen nach unten den Katalysator, wobei die Reaktion stattfindet. Schließlich gelangen sie in die

v> Rohre des Wärmeaustauschers, in dem sie die Reaktionswärme an die kalten ankommenden Gase abgeben. Die den Reaktorboden verlassenden abgekühlten Reaktionsgase sind nun zur Weiterverwendung geeignet.

w) Der erfindungsgemäße Reaktor wird nun anhand der Figuren weiter erläutert
F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch den Reaktor,
F i g. 2 zeigt ein Dichtungssystem für den Reaktor nach F i g. I und

F i g. 3 zeigt schematisch eine besondere Art der Dichtung am Reaktorboden.

Der Reaktor nach F i g. 1 besteht aus einem Mantel 1, der mit Hilfe von Schraubenbolzen 2 durch den Deckel 3

verschlossen wird Der Deckel 3 hat eine Durchführung für den Eintritt der kalten Frischgase über das Speiserohr 4 und für die Einbringung von heißen Gasen zum Anfahren des Reaktors über das Rohr 5 sowie schließlich eine Durchführung für einen Thermofühler 6.

Im Inneren des Reaktormantels befindet sich ein ringförmiges Katalysatorbett 7. Auf dem Rost 8 befindet sich eine Schüttung von Tonerdekugeln 9. Unter dem Katalysatorbett ist der Rohrbündelwärnieaustauscher 10 angeordnet, von dem der Einfachheit halber nur ein einziges Rohr gezeigt ist Zwischen den Austauscherrohren befinden sich Leitbleche 11, um den Wärmeübergang von den heiße» auf die kalten Gase zu verbessern.

Zwischen dem Reaktormantel 1 und der aus Katalysatorbett und Wärmeaustauscher gebildeten Einheit besteht ein Ringraum oder Abstand 12. Die Einheit aus Katalysatorbett und Wärmeaustauscher ist durch die Isolierschicht 13 umgeben, die aus Glaswolle, Mineralwolle, insbesondere aus Asbestpulver bestehen kann. Am Gasein- und -austritt befinden sich Dichtungen 14, 15, die an Hand der Fig.2 und 3 erläutert werden.

Die kalten Gase treten in den Reaktor über die Leitung 4 und die öffnung 16 ein, strömen durch den Ringraum 12 und treten über die öffnungen 17 in den Wärmeaustauscher 10 ein, wo sie vorgewärmt werden. Die vorgewärmten Gase steigen auf durch das zentrale Rohr 18, durchströmen das Katalysatorbett 7 und dann die Rohre des Rohrbündelaustauschers 10, wobei die Reaktionsgase abgekühlt werden; diese verlassen den Reaktor über die Ableitung 19.

Beim Anfahren oder Wiederanfahren des Reaktors ist es notwendig, eine gewisse Menge an heißen Gasen, die sich auf Reaktionstemperatur befinden, in den Reaktor einzubringen. Dies geschieht über die öffnung 5, um eine Aufheizung des Reaktormantels zu verhindern. Diese heißen Gase werden daher direkt über die Leitung 5 dem Katalysatorbett zugeleitet, während über die Leitung 4 — wie ODen erwähnt — nur kalte Gase eingespeist werden. Um eine Vermischung der heißen Gase mit den kalten Gasen zu verhindern, dient die Dichtung 14.

Fig.2 zeigt nun im Detail einen Querschnitt durch diese Abdichtung 14. Sie besteht aus der Dichtungswicklung 20, aus der Auflage 21 und dem Abschlußteil 22, der die Wicklung gegen die Auflage drückt, so daß eine sichere Abdichtung gegen die kalten Gase erreicht wird.

Ein weiteres Dichtungsproblem ergibt sich am Boden des Reaktors bei der Durchführung der Ableitung 19, wo zwischen dieser und dem Mantel Reaktionsgase austreten könnten. Hier wird nun ein Dichtungssystem angewandt, welches mit einer dazwischen angeordneten Stopfbuchse versehen ist und einen Zwangsumlauf von Wasser unter Druck gestattet um ein sehr gefährliches Auftreten von Reaktionsgasen aus dem Reaktor zu verhindern. Ein derartiges Dichtungssystem ist in der Fi g. 3 schematisch dargestellt Zwischen der Außenfläche der Ableitung 19 und dem Reaktormantel 1 befindet sich eine Wicklung von Asbestschnüren oder -zöpfen 23, welche unter Druck steht und zwischen dem Reaktorboden 24 und dem Flanschteil 25. Die Wicklung ist aufgeteilt durch die Buchse 26 in zwei Stücke. Die Buchse steht in Verbindung mit einer Bohrung 27, über die Wasser unter Druck zugeführt werden kann. Wenn ein Leck im Dichtungssystem auftritt kann trotzdem kein Austritt der Reaktionsgase aus dem Reaktor erfolgen, da Wasser in die Reaktordichtung mit einem Druck über dem Arbeitsdruck des Reaktors eintritt

Der erfindungsgemäße Reaktor eignet sich besonders für ein kombiniertes Syntheseverfahren von Ammoniak und Harnstoff, bei dem eine Methanisierung von CO₂ und CO unter dem Arbeitsdruck des Ammoniakreaktors stattfindet Man braucht also die zu methanisierenden Gasgemische nicht zu verdichten auf den Synthesedruck.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Methanisierungsreaktor bestehend aus einem Reaktorkörper, welcher eine Durchführung für Thermofühler in das zu methanisierende Gas, ein einzoniges Katalysatorbett, Kühleinrichtungen und ein oberes Eintritts-Dichtungssystem sowie ein unteres Austritts-Dichtungssystem besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Reaktormantel (1) mit Deckel (2) eine isolierte Einheit von einem ringförmigen Katalysatorbett (7) und darunter einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher (10) befindet, zwischen dem Mantel (1) und der isolierten Einheit ein Ringraum (12) besteht, der Wärmeaustauscher (10) mit einem zum Reaktormantel (1) coaxialen zentralen Rohr (18) verbunden ist und sich eine Ableitung (19) der Reakiionsgase am Boden des Mantels befindet

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktordeckel (2) eine Zuführung (5) von extern vorgewärmtem Gas zur Inbetriebnahme des Reaktors vorgesehen ist

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (1) aus Kohlenstoffstahl oder einem niederlegierten Stahl mit nicht mehr als 0,5% Mo besteht