DE3006900C2

DE3006900C2 - Vorrichtung zur Durchführung der katalytischen Oxidation gasförmiger Schwefelverbindungen zu Schwefeltrioxid

Info

Publication number: DE3006900C2
Application number: DE3006900A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Ing. 5000 Köln Mahler; Adolf Dipl.-Chem. 5024 Pulheim Stauffer
Original assignee: Davy Mckee Ag 6000 Frankfurt; Davy McKee AG
Current assignee: STAUFFER, ADOLF, DIPL.-CHEM., 5024 PULHEIM, DE
Priority date: 1980-02-23
Filing date: 1980-02-23
Publication date: 1982-07-01
Also published as: US4337224A; FR2476627B1; DK79181A; FR2476627A1; DE3006900A1; DK148162B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung der katalytischen Oxidation gasförmiger Schwefelverbindungen, wie Schwefeldioxid, zu Schwefeltrioxid,

•5 bestehend aus einem Kessel, in dem zwischen Rohrboden mit Hauben für die Zuführung, Umlenkung und Abführung des Reaktionsgases zu bzw. von einzelnen Rohrgruppen eine Vielzahl von Rohren enthalten ist von denen alle oder nur ein Teil einen Katalysator enthält und alle von einem flüssigen Wärmeträger umströmt werden, nach Patent 27 11 897.

Die Vorrichtung nach dem Hauplpalent ist dadurch

gekennzeichnet daß einzelnen Rohrgruppen jeweils

eigene Hauben oder durch Trennwände in einer Haube gebildete Haubenkammern zugeordnet sind, die Hauben bzw. Haubenkammern mit ihren katalysatorgefüllten Rohrgruppen strömungsmäßig hintereinander geschaltet sind und tier Raum um die Rohre mit einem flüssigen Wärmeübertragungsmittel gefüllt und an ein wenigstens einen Wärmeaustauscher aufweisendes Zirkulationssystem für das Wärmeübertragungsmittel angeschlossen ist Bei dieser bekannten Vorrichtung befindet sich der Wärmeaustauscher, durch den die Summe der im Reaktor entwickelten Reaktionswärmemengen abgegeben wird, außerhalb des Reaktors, und der Wärmeträger muß durch Rohrleitungen zwischen Reaktor- und Wärmeaustauscher hin- und hergeführt werden. Dies hat erhöhte Wärmeverluste an die Umgebung zur Folge. Außerdem ist es schwierig, die Temperatur des die Recktorrufire umströmenden Wärmeträgers und demnach auch die Temperatur des Reaktionsgases beim Durchströmen der katalysatorgefüllten Rohre in engen Grenzen zu halten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung der katalytischen Oxidation gasförmiger Schwefelverbindungen, wie Schwefeldioxid und/oder Schwefelwasserstoff, zu Schwefeltrioxid nach dem eingangs genannten Patent, bei der die Wärmeverluste des zirkulierenden Wärmeträgers an die Umgebung wie auch die Temperaturschwankungen des Wärmeträgers in dem Reaktor durch einen kompakteren Aufbau wesentlich vermindert werden.

Bei der eingangs genannten Vorrichtung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen den Rohrboden ein äußerer Bereich mit leeren Rohren geringen Durchmessers, ein sich nach innen daran anschließender mittlerer Bereich mit katalysatorgefüllten Rohren größeren Durchmessers und eine Innenkammer wenigstens teilweise mit haamadelförmigen leeren Rohren ausgestattet sind, die Innenkammer von dem genannten mittleren Bereich durch eine Wandung mit oberen und unteren öffnungen für den Wärmeträgerdurchtritt getrennt ist, der äußere und mittlere Bereich mit gemeinsamen Blechen zur Führung des Wärmeträgers im Querstrom zu den Rohren versehen ist und in der Innenkammer eine Propellerpumpe für die Zirkulation des Wärmeträgers durch den äußeren und mittleren

Bereich und die Innenkammer angeordnet ist Die umzusetzenden Gase strömen zunächst durch die leeren Rohre des äußeren Rinbereiches und werden in ihnen durch den umströmenden Wärmeträger auf die Reaktionstemperatur vorgewärmt Sie werden dann in der Umlenkungshaube in die katalysatorgefüllten Rohre des mittleren ringförmigen Bereiches gelenkt und darin umgesetzt, wobei der Wärmeträger einen wesentlichen Teil der Reaktionswärme aufnimmt und somit als Kühlmittel für das Reaktionsgas dient Durch die Führungsbleche wird der Wärmeträger bei der Aufwärtsströmung in dem äußeren und inneren Bereich abwechselnd nach außen und wieder nach innen gelenkt, so daß fortlaufend Wärme von den katalysatorgefüllten Rohren des mittleren Bereichs an die Leerrohre des äußeren Bereichs übertragen und dadurch der Temperaturanstieg in den Katalysatorrohren in engen Grenzen gehalten wird. Die Haarnadelrohre in der Innenkammer haben die Funktion, die bei der Vorrichtung nach dem Hauptpatent dem außenliegenden Wärmeaustauscher zukommt Durch die erfindüfigsgemäSe Anordnung dieses Wärmeaustauschers zentral im Reaktor werden die Wärmeverljste an die Umgebung wesentlicher verringert; zu den geringen Wärmeverlusten an die Umgebung trägt auch bei, daß der äußere Rohrbereich nur zur Vorwärmung des Reaktionsgases dient und der Wärmeträger bei der vorgesehenen Querstromführung an der Außenschale des Reaktors eine relativ niedrige Temperatur hat. Diese geringen Wärmeverluste sind für das Warmhalten des Reaktors bei Stillständen besonders vorteilhaft. Es ist weiterhin von Vorteil, daß nach einem Stillstand unter Warmhaltung beide Rohrgruppen mit annähernd Betriebstemperatur zur Verfügung stehen. Der im Reaktor anfallende Wärmeüberschuß wird von dem durch die Innenkammer zirkulierten Wärmeträger an das durch die Haarnadelrohre zirkulierende Strömungsmittel, wie z. B. ein Gas oder Wasserdampf, abgegeben. Die Kühlwirkung kann in der Innenkammer durch die Geschwindigkeit des Strömungsmittels in den Haarnadelrohren wunschgemäß eingestellt werden. Die Verwendung eines flüssigen Wärmeträgers ermöglicht einen erheblich größeren Wärmeentzug aus dem Reaktor, als bei den bisher üblichen Gas/Gas-Wärmeaustauschern erreicht wurde, und damit den Einsatz des Reaktors bei der Umsetzung von Gasen mit bisher nicht üblichen hohen SO₂- und/oder (^-Konzentrationen (z. B. 20 bis 60 Vol.-% SO₂ und/oder 20 bis 70 Vol.-% O₂).

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der Innenkammer ein von Rohren freier Zentralraum durch eine Wandung von dem mit den Haarndeliohren besetzten Ringraum abgetrennt und im Bereich des Zentralraums eine Drosselklappe oder dergl. zur Einstellung des durch den Zentralraum zirkulierenden Teilstroms des Wärmeträgers angeordnet. Auf diese Weise wird in der Innenkammer für die Wärmeträgerströmung ein axialer Strömungsweg nach Art eines By-Passes geschaffen, auf dem der Wärmeträger nicht gekühlt wird. Durch die Drosselklappe kann das Verhältnis der Menge des durch den axialen Strömungsweg ungekühlt zirkulierenden Wärmeträgers zu der Menge des durch den Ringraum unter Kühlung zirkulierenden Wärmeträgers variiert und so die aus dem Reaktor an das in den Haarnadelrohren strömende Kühlmittel abgegebene Wärme verändert werden. Zweckmäßigerweise sind bei dieser Ausführungsform im oberen Bereich der Wandung öffnungen für den Durchtritt des Wärmetrügers und im Boden eme öffnung mit der Drosselklappe angeordnet

Vorzugsweise ist die Propellerpumps im Bereich der oberen öffnungen der Wandung zwischen dem mittleren Bereich und Innenkammer so angeordnet, daß sie den Wärmeträger durch die öffnungen ansaugt und in die Innenkammer drückt Der Wärmeträger strömt bei dieser Ausführungsform in der Innenkammer abwärts und im mittleren und äußeren Bereich im Querstrom aufwärts. Die Anordnung der Pumpe im Bereich der oberen öffnungen ermöglicht einen leichten Ausbau der Pumpe.

Vorzugsweise ist die Propellerpumpe zentral am Reaktorgehäuse angeflanscht und vorzugsweise axial aufwärts aus dem Reaktor herausziehbar. Reparaturarbeiten an der Pumpe sind bei dieser Konstruktion leicht ausführbar.

Zweckmäßigerweise sind die Haarnadelrohre in der Innenkammer auf einer zentralen Bodenplatte angebracht, die zentral am Reaktorgehäuse und vorzugsweise nach unten aus dem GeK"use herausziehbar angeflanscht ist Durch diese Ausbildung können die Haarnadelrohre sowie die Wandung, die den Zentralraum von dem mit Haarnadelrohren besetzten Ringraum trennt mit der Drosselklappe aus dem Reaktor herausgezogen werden, so daß Reinigungs- und Reparaturarbeiten, z. B. an der Drosselklappe, mühelos durchgeführt werden können.

Weiterhin ist zweckmäßigerweise der untere Rohrboden im äußeren und mittleren Bereich durch eine gemeinsame Haube abgedeckt die durch eine innere Trennwand in eine Anströmkammer für die leeren Rohre des äußeren Bereichs und eine Abströmkammer für die katalysatorgefüllten Rohre des mittleren Bereichs unterteilt ist. An- und Abströmkammer befinden sich vorzugsweise an dem unteren Rohrboden, während die Haube auf dem oberen Rohrboden zur Umlenkung des vorgewärmten Gasstroms dient Selbstverständlich ist es auch möglich, statt der durch eine Trennwand in die An- und Abströmkammer unterteilten Haube am unteren Rohrboden getrennt voneinander e'.ie ringförmige, die leeren Rohre überdeckende Anströmhaube und eine ringförmige, die katalysatorgefüllten Rohre überdeckende Abströmhaube vorzusehen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben, in der die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors im Axialschnitt dargestellt ist.

Der in der Zeichnung dargestellte Reaktor 1 hat in einem Gehäuse 2 einen oberen Rohrboden 3 mit einer ringförmigen Umlenkhaube 22 und einen unteren Rohrboden 4 mit einer ringförmigen Haube 21, die durch eine Trennwand 21' in eine ringförmige Anströmkarrner 5 und eine ringförmige Abströmkammer 7 unterteilt ist Zwischen den Rohrböden 3,4 verlaufen in einem äußeren Bereich 8 relativ dünne Ifcere Rohre 8* und in einem mittleren Bereich 9 katalysatorgefüllte Rohre 9^a von größerem Durchmesser. In dem Raum 8,9 sind mehrere horizontal verlaufende Führungsbleche £0 angeordnet die dne Querstromführung des die Rohre 8», 9« umströmenden Wärmeträgers entsprechend der dargestellten Pfeilrichtung gewährleisten.

Der mittlere Bereich 9 ist durch eine zylindrische Wandung 11 von der Innenkammer 18 getrennt die selbst durch eine zylindrische Wandung 19 in einen mit Haarnadelrohren iS bestückten Ringraum 18*und einen rohrfreien Zentralraum 18" unterteilt ist. Die Wandung 11 weist oben und unten Durchtrittsöffnungen 11* bzw.

11* für den Wärmeträger auf. Ferner sind im oberen Bereich der zylindrischen Wandung 19 Durchtrittsöffnungen 19* vorzusehen, während im Boden der Wandung 19 eine Drosselklappe 20 vorgesehen ist. Zwischen der ringförmigen Haube 22 ist an dem Reaktorgehäuse 2 mittels Flansch 23 eine Propellerpumpe 16 mit Antriebsmotor 17 angeflanscht. In ähnlicher Weise ist innerhalb der ringförmigen Haube 21 eine Bodenplatte 12 angeflanscht, auf der nach innen die Haarnadelrohre 15 und die zylindrische Wandung 19 mit Drosselklappe 20 und nach außen die Haube 24 mit der zentralen Anströmkammer 13 für das durch die Haarnadelrohre 15 strömende Kühlmittel und der ringförmigen Abströmkammer 14 angebracht sind.

Im Betrieb strömen die umzusetzenden Gase durch \ί den Stutzen der Anströmkammer 5 in die leeren Rohre 8*. in denen sie durch den die Rohre umströmenden Wärmeträger vorgewärmt werden. Die Gase werden dann in der Kammer 6 umgelenkt, durchströmen die mit Katalvtalnr dpfi'illtpn Rohrp Q* in Hpnpn Hip I Imtpimno in

erfolgt und die Gase durch den die Rohre 9·¹ umströmenden Wärmeträger gekühlt werden. Die Reaktionsgase verlassen den Reaktor durch den Stutzen der Abströmkammer 7 Die Wärmeträgerflüssigkeit wird auf ihrem Weg aufwärts durch den Raum zwischen Ji der Außenwand 2 und der Wandung 11 durch die Bleche 10 abwechselnd nach außen und innen gelenkt, so daß hierdurch ein mehrfacher Wärmeaustausch zwischen den wärmeabgebenden katalysatorgefüllten Rohren 9' und den wärmeaufnehmenden leeren Rohren 8^J erreicht so wird. Der Temperaturanstieg sowohl des Reaktionsgases in den Rohren 9' wie auch des Wärmeträgers auf dem Weg von den öffnungen ll*durchdie Bereiche 8,9 zu den Öffnungen 11' ist demzufolge gering. Der Wärmeträger wird von der Propellerpumpe 16 durch die öffnungen 11' angesaugt und in die Innenkammer 18 gedrückt, wobei der Wärmeträgerstrom entsprechend der Stellung der Drosselklappe 20 in einen ungekühlten Zentralstrom durch den Zentralraum 18* und einen gekühlten Ringstrom durch den Ringraum 18* unterteilt wird. Die Kühlung des Wärmeträgers in dem Ringraum 18* erfolgt durch die Haarnadelrohre 15, die durch die Zentralkammer 13 der Haube 24 mit Kühlmittel, z. B. Wasserdampf oder Kühlgas, beaufschlagt werden. Der ungekiihlte Teilstrom durch den Zentralraum 18" vereinigt sich abströmseitig der Drosselklappe 20 wieder mit dem gekühlten Teilstrom aus dem Ringraum iS^h und strömt dann wieder durch die Öffnungen 1 P in die Rohrbündelbereiche 8,9·

Es lassen sich die Pumpe 16 mit ihrem Antriebsmotor 17 einerseits und die Haarnadelrohre 15 mit der Wandung 19 und der Drosselklappe 20 andererseits aus der innenkammer 18 des Reaktors herausfahren, so daß Wartung und Reparatur leicht möglich sind. Der erfindungsgemäße Reaktor zeichnet sich durch geringe Wärmeverluste aus und hat gegenüber den bisher eingesetzten Hordenreaktoren mit außenliegenden Wärmeaustauschern den Vorteil, daß der gesamte in dem Reaktor freiwerdende Wärmeüberschuß in einem Wärmey.'stauscher auf ein Strömungsmedium übertragen wird und demzufolge in einer Gesamtmenge wieder verfügbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspräche;

1. Vorrichtung zur Durchführung der katalytischen Oxidation gasförmiger Schwefelverbindungen zu Schwefeltrioxid, bestehend aus einem Kessel, in dem zwischen Rohrboden mit Hauben für die Zuführung, Umlenkung und Abführung des Reaktionsgases zu und von einzelnen Rohrgruppen eine Vielzahl von Rohren enthalten ist, von denen alle oder nur ein Teil einen Katalysator enthält und alle von einem flüssigen Wärmeträger umströmt werden, nach Patent 27 11 897, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Rohrböden (3,4) ein äußerer Bereich (8) mit leeren Rohren (8^a) geringen Durchmessers, ein sich nach innen daran anschließender mittlerer Bereich (9) mit katalysatorgefüllten Rohren (9^a) größeren Durchmessers und eine Innenkammer (18^a, 18*) wenigstens teilweise mit haamadelförmigen leeren Rohren (15) ausgestattet sind, die Innenkammer (18^a, 18*) von dem mittleren Bereich {&J mit den katalysatorgefüllten Rohren durch eine Wandung (U) mit oberen und unteren öffnungen (ll^a, 11*) für den Durchtritt des Wärmeträgers getrennt ist der äußere und mittlere Bereich (8 bzw. 9) mit gemeinsamen Blechen (10) zur Führung des Wärmeträgers im Querstrom zu den Rohren (8", 9^a) versehen ist urd in der Innenkammer (18^a, 18*) eine Propellerpumpe (16) für die Zirkulation des Wärmeträgers durch den äußeren und mittleren Bereich (8, 9) und die Innenkammer (18^a, 18*) angeordnet ist.

2. Vorric! Hing nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Innenkj»mmer ein von Rohren freier Zentralraum (18^a) durch eine Wandung (19) von dem mit den Haarnadelrohren (15) besetzten Ringraum (18*) abgetrennt ist und im Bereich des Zentralraums (18') eine Drosselklappe (20) zur Einstellung des durch den Zentralraum zirkulierenden Teilstroms des Wärmeträgers angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich der Wandung (19) öffnungen (19^a) für den Durchtritt des Wärmeträgers und im Boden die Drosselklappe (20) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Propellerpumpe (16) im Bereich der oberen Öffnung(en) (ll^a) der Wandung (11) so angeordnet ist, daß sie den Wärmeträger durch die öffnung(en) (ll^a) ansaugt und in die Innenkammer (18*, 18*) drückt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulation des Wärmeträgers in der Innenkammer (18», 18*) abwärts und im äußeren und mittleren Bereich (8,9) insgesamt aufwärts gerichtet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Propellerpumpe (16) zentral am Reaktorgehäuse (2) angeflanscht und vorzugsweise axial aufwärts aus dem Reaktor herausziehbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche ! bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Rohrboden (4) im äußeren und mittleren Bereich (8,9) durch eine gemeinsame Haube (21) abgedeckt ist, die durch eine innere Trennwand (21') in eine Anströmkammer (5) für die leeren Rohre (8«) des äußeren Bereichs (8) und eine Abströmkammer (7) für die katalysatorgefüllten Rohre (9*) des mittleren Bereichs (9) unterteilt ist

8, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die Haarnadelrohre (15) auf einer zentralen Bodenplatte (12) angebracht sind, die zentral am Reaktorgehäuse (2) und vorzugsweise nach unten aus dem Gehäuse herausziehbar angeflanscht ist.