DE60121907T2

DE60121907T2 - Reaktor für exotherme oder endotherme heterogene Reaktionen

Info

Publication number: DE60121907T2
Application number: DE60121907T
Authority: DE
Inventors: Ermanno Filippi; Enrico Rizzi; Mirco Tarozzo
Original assignee: Methanol Casale SA
Current assignee: Casale SA
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: AU9723601A; DK1216750T3; US6939520B2; ATE334742T1; US20020085969A1; AU783696B2; ITMI20002712A1; EP1216750A1; JP2002233747A; DE60121907D1; CN1363416A; IT1319549B1; EP1216750B1; CN1222352C

Description

Gebiet der Anmeldung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen isothermischen Reaktor zur Durchführung von heterogenen, exothermen oder endothermen Reaktionen, umfassend:

– eine vorzugsweise vertikale Außenhülle von im Wesentlichen zylindrischer Form;
– zumindest ein katalytisches Bett, das in der Hülle vorgesehen ist und gegenüberliegende, perforierte Seitenwände für den Einlass eines Reaktionspartner enthaltenden Stroms bzw. den Auslass eines zur Reaktion gekommenen Substanzen enthaltenden Stroms aufweist; und
– zumindest ein Rohr, das durch das zumindest eine katalytische Bett hindurch läuft, um ein Kühl- oder Erwärmungsfluid zu leiten.

In der nun folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen soll mit dem Ausdruck "isothermischer Reaktor" ein Reaktor gemeint sein, bei dem die Temperatur innerhalb des katalytischen Betts bzw. der katalytischen Betten, wo die Reaktion stattfindet, im Wesentlichen konstant gehalten wird, wobei eine solche Reaktion exotherm oder auch endotherm sein kann (im Fachjargon wird auf diesem Gebiet auch der Ausdruck "pseudo-isothermischer Reaktor" verwendet).
Reaktoren dieser Art können z.B. für die Synthese von chemischen Substanzen wie z.B. Methanol oder Formaldehyd (stark exotherme Reaktionen) oder Styrol (stark endotherme Reaktionen) verwendet werden.
Bekanntermaßen besteht auf dem Gebiet von exothermen oder endothermen heterogenen Synthesen ein ständig steigender Bedarf, isothermische Reaktoren hoher Kapazität zu realisieren, die einerseits leicht herzustellen und zuverlässig sind sowie geringe Investitions- und Instandhaltungskosten erfordern, und andererseits mit geringen Druckabfällen, niedrigem Energieverbrauch und einem hohen Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs zwischen den Reaktionspartnern und dem Kühl- oder Erwärmungsfluid arbeiten können.
Stand der Technik
Um den oben erwähnten Bedarf nachzukommen, sind auf diesem Gebiet isothermische Reaktoren vorgeschlagen worden, die mit einem katalytischen Bett radialer Bauart versehen sind, das in seinem Inneren eine große Anzahl von vertikalen geraden Rohren aufweist, um Wärme ab- bzw. zuzuführen.
In der DE-A-3 318 098 ist beispielsweise ein isothermischer Reaktor zur Durchführung von exothermen oder endothermen heterogenen Synthesen offenbart, bei dem die gasförmigen Reaktionspartner das katalytische Bett radial durchlaufen und in Kontakt mit einer Vielzahl von vertikalen Rohren gelangen, die innerhalb des Betts angeordnet sind.
Gemäß einer nicht gezeigten Ausführungsform ist auch vorgesehen, dass sich die Rohre zum Abführen bzw. Zuführen der Wärme schraubenförmig um einen zentralen Kollektor erstrecken, der für den Auslass der zur Reaktion gekommenen Gase aus dem Reaktor dient.
Insbesondere erstreckt sich das Bündel aus wendelförmigen Rohren vertikal zwischen gegenüberliegenden oberen und unteren Rohrplatten, wobei diese Rohre umeinander verdreht sind.
Es wäre festzuhalten, dass wendelförmige Anordnungen der Rohre zum Ab- oder Zuführen von Wärme auch bei den isothermischen, mit einen axialen katalytischen Bett ausgestatteten Reaktoren bekannt sind, siehe z.B. US-A-4 339 413 und US-A-4 636 365.
Obwohl er unter gewissen Aspekten vorteilhaft ist (z.B. ermöglicht es die radiale Anordnung des katalytischen Betts in einfacher und kostengünstiger Weise, höhere Produktionskapazitäten bei niedrigeren Druckabfällen und geringerem Energieverbrauch zu erzielen als mit einem axialen Bett), hat der in DE-A-3 318 098 offenbarte isothermische Reaktor mit einem wendelförmigen Rohrbündel eine Reihe von Nachteilen, die nachstehend dargelegt werden.
Zuallererst passt sich die Anordnung der Rohre als wendelförmiges Rohrbündel – obwohl sie besser ist als die Anordnung mit vertikalen geraden Rohren – dem Temperaturverlauf des Stroms aus gasförmigen Reaktionspartnern, die das katalytische Bett mit einer radialen Bewegung durchlaufen, nicht sehr gut an.
In der Tat gelangt der Gasstrom, der mit Bezug auf die vertikale Erstreckung der wendelförmigen Rohre senkrecht strömt, beim Durchlaufen des katalytischen Betts mit verschiedenen Rohren in Kontakt, die unterschiedliche Temperaturen haben, und dies zieht einen geringen Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs zwischen gasförmigen Reaktionspartnern und dem Kühl- bzw. Erwärmungsfluid nach sich.
Anders gesagt werden im Falle von exothermen Reaktionen, bei denen die gasförmigen Reaktionspartner in einer zentripetalen, radialen Bewegung durch das katalytische Bett strömen, die äußeren wendelförmigen Rohre von einem Gas quer angeströmt, das gerade zu reagieren begonnen hat und somit relativ kalt ist, wohingegen die wendelförmigen Rohre, die sich näher am Kern befinden, von einem Gas mit immer höherer Temperatur quer angeströmt werden, welches mit ihnen eine immer größer werdende Wärmemenge austauscht, bis ein Punkt erreicht ist, an dem sich die Temperatur des Reaktionsgases auf seinem Höchstwert befindet. Ab diesem Punkt fällt die Temperatur ab und somit wird auch die Wärmemenge fortlaufend kleiner, die von den wendelförmigen Rohren aufgenommen wird, die neben Gasauslasswand des katalytischen Betts angeordnet sind (siehe DE-A-3 318 098, 3).
Deshalb nehmen die wendelförmigen Rohre jeweils eine andere Wärmemenge auf und müssen unterschiedlichen thermischen Belastungen standhalten. Dies verursacht eine schlechte Temperaturverteilung innerhalb des katalytischen Betts, was dem Wärmeaustauschwirkungsgrad abträglich ist.
Wenn beispielsweise innerhalb der Rohre als Kühlmittel Heißwasser fließt und es in Dampf verwandelt wird, dann ist klar, dass jedes Rohr eines wie in DE-A-3 318 098 vorgeschlagenen wendelförmigen Rohrbündels eine andere Menge an Dampf erzeugt.
Dies bringt beträchtliche Probleme bezüglich der Steuerung und Zuführung/Abführung des Kühlfluids an den Rohrplatten mit sich, sowie auch eine schlechte Verteilung von Wasser und Dampf im Inneren der Rohre.
In diesem Zusammenhang ist es erwähnenswert, dass alle Rohre des in DE-A-3 318 098 beschriebenen isothermischen Reaktors parallel zueinander sind, d.h. sie werden von derselben Quelle gespeist und haben an derselben Stelle ihren Ablauf. Somit sind auch die für jedes wendelförmiges Rohr erhältlichen Druckabfälle gleich.
In DE-A-3 318 098 unterliegen die wendelförmigen Rohre, die in Kontakt mit den eine niedrige Temperatur aufweisenden gasförmigen Reaktionspartnern stehen, einer geringen thermischen Belastung, was einen geringen Verdampfungsgrad des Wassers bedeutet, mit einer daraus folgenden niedrigen Auslassgeschwindigkeit und daher hohen Wasserdurchflussraten (als Massendurchflussraten berechnet). Die wendelförmigen Rohre, die mit den eine hohe Temperatur innehabenden gasförmigen Reaktionspartnern stehen, unterliegen dagegen einer großen thermischen Belastung, was einen hohen Verdamp fungsgrad des Wassers bedeutet, mit einer daraus folgenden hohen Auslassgeschwindigkeit und daher geringen Wasserdurchflussraten (als Massendurchflussraten berechnet).
Wenn der Reaktor in Betrieb ist, tritt deshalb eine Situation auf, in der die Windungen, die der größten thermischen Belastung unterliegen, diejenigen sind, die mit wenig Wasser versorgt werden; sie sind dahingehend gefährdet, dass ein immer weiter ansteigender Verdampfungsgrad und eine ständig abfallende Kapazität zum Abzug der Wärme besteht. Dies führt zu einer Temperaturverteilung innerhalb des katalytischen Betts, die weit vom Optimum entfernt ist, was für den Fall von schwach exothermen Reaktionen wie die Methanolsynthese gilt, während im Falle von schnellen und stark exothermen Reaktionen wie bei der Formaldehydsynthese dies sogar zu einem steilen Temperaturanstieg führen kann.
Darüber hinaus fördert die übermäßig starke Verdampfung die Bildung von Ablagerungen aus im Wasser vorhandenen Reststoffen im Inneren der Rohre, was sich nachteilig auf den Wärmeaustauschwirkungsgrad der Rohre selbst auswirkt.
Alle diese Nachteile sind unabhängig von der Tatsache, dass die Rohre je nach dem Temperaturprofil der gasförmigen Reaktionspartner innerhalb des katalytischen Betts mit unterschiedlichen Abständen angeordnet sind.
Ein weiterer Nachteil des Reaktors nach Stand der Technik besteht in der hohen baulichen Komplexität, die durch die wendelförmige Anordnung des Rohrbündels bedingt ist, was hohe Investitions- und Instandhaltungskosten erforderlich macht.
Darüber hinaus besteht durch das Vorsehen von Rohrplatten – die wegen des Druckunterschieds zwischen den gasförmigen Reaktionspartnern und dem Kühl- oder Erwärmungsfluid im Allgemeinen sehr dick sein müssen und folglich teuer sind – eine Einschränkung bezüglich der Anzahl von Rohren, die man anordnen kann, wodurch sich eine weitere Einbuße beim Wärmeaustauschwirkungsgrad des Reaktors ergibt.
Wegen dieser Nachteile wurden isothermische Reaktoren zur Durchführung von exothermen oder endothermen heterogenen Synthesen mit einem radialen katalytischen Bett und einem wendelförmigen Rohrbündel bisher tatsächlich ziemlich selten eingesetzt (und dies gilt in verstärktem Maße für Reaktoren mit einem vertikalen Rohrbündel); nichtsdestoweniger besteht auf diesem technischen Gebiet eine immer stärkere Nachfrage nach Reaktoren mit hoher Kapazität.
Zusammenfassung der Erfindung
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, einen isothermischen Reaktor zur Durchführung von exothermen oder endothermen heterogenen Reaktionen bereitzustellen, der leicht realisierbar und zuverlässig ist, niedrige Investitions- und Instandhaltungskosten erforderlich macht und bei einem niedrigen Druckabfall und geringem Energieverbrauch mit einem hohen Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs zwischen den Reaktionspartnern und dem Kühl- oder Erwärmungsfluid arbeiten kann.
Das vorerwähnte Problem wird gemäß der Erfindung durch einen Reaktor der oben erwähnten Bauart gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass sich das zumindest eine Rohr zum Abführen oder Zuführen von Wärme innerhalb des zumindest einen katalytischen Betts in Form einer kegelförmigen Wendel erstreckt.
Dank der vorliegenden Erfindung ist es in vorteilhafter Weise möglich, auf einfache Art und Weise einen isothermischen Reaktor mit einem hohen Wärmeaustauschkoeffizienten zu erhalten, was der Umwandlungsausbeute und dem Energieverbrauch voll zum Vorteil gereicht.
Tatsächlich erstreckt sich im Unterschied zu den zylindrischen wendelförmigen Rohren gemäß dem Stand der Technik, die sich von einem Ende des katalytischen Betts zum anderen Ende in einer Richtung erstrecken, die im wesentlich parallel zu den perforierten Seitenwänden für das Einleiten und Abziehen des gasförmigen Stroms verläuft, gemäß der vorliegenden Erfindung jedes einzelne Rohr zum Abführen oder Zuführen von Wärme in Form einer kegelförmigen Wendel innerhalb des katalytischen Betts.
Auf diese Weise werden die verschiedenen Windungen jedes einzelnen Rohrs mit einem zur Oberseite des Kegels hin immer kleiner werdenden Durchmesser von Anteilen der gasförmigen Reaktionspartner mit unterschiedlichen Temperaturen beaufschlagt, und somit kann vorteilhafter Weise allen Wärmeschwankungen und somit dem Temperaturprofil der Reaktionspartner vom Einlass bis zum Auslass des katalytischen Betts gefolgt werden.
In der Folge nehmen, wann immer innerhalb des katalytischen Betts bzw. der katalytischen Betten mehrere Rohre gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet sind, diese dieselbe thermische Belastung auf. Beispielsweise im Falle einer exothermen Reaktion mit Heißwasser als Kühlfluid erzeugen alle Rohre dieselbe Menge an Dampf (gleichmäßige Verteilung von Wasser und Dampf innerhalb der Rohre).
Anders ausgedrückt kann dank der vorliegenden Erfindung jedes Rohr dieselbe Wärmemenge abführen oder zuführen und somit ist es möglich, eine optimale Verteilung der Temperatur innerhalb des katalytischen Betts zu erhalten, auch bei stark exothermen oder endothermen Reaktionen. Dies ist zum vollen Vorteil des Wärmeaustauschwirkungsgrads des katalytischen Betts und somit der Umwandlungsausbeute innerhalb des Betts selbst und des jeweiligen Energieverbrauchs.
Hinsichtlich des zuvor beschriebenen isothermischen Reaktors mit Bezug auf den Stand der Technik gestattet es der Reaktor gemäß vorliegenden Erfindung, Wärme bei einem höheren thermischen Niveau zu gewinnen oder zuzuführen, mit einer sich daraus ergebenden Steigerung des Wärmeaustauschwirkungsgrads und der Umwandlungsausbeute. Oder aber, wenn die Umwandlungsausbeute dieselbe ist wie beim Stand der Technik, dann gestattet der größere Wärmeaustauschwirkungsgrad eine Verringerung des erforderlichen Katalysatorvolumens, womit sich Einsparungen hinsichtlich Bauraum und Investitionskosten ergeben.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei Anordnung mehrerer Rohre innerhalb eines katalytischen Betts diese von derselben Quelle gespeist werden können, weil keine Steuerungsprobleme bezüglich der Zufuhr und des Abzugs des Kühl/Erwärmungsfluids besteht, und alle Rohre derselben thermischen Belastung unterliegen.
Schließlich wäre festzuhalten, dass der Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung besonders leicht realisiert werden kann und keine Rohrplatten braucht, woraus sich beträchtliche Einsparungen bezüglich Investitions- und Instandhaltungskosten ergeben.
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden beispielhaften und nicht einschränkenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt.
Kurze Beschreibungen der Zeichnungen
In diesen zeigen:
1 eine längs geschnittene Teilansicht eines isothermischen Reaktors zur Durchführung von exothermen oder endothermen, heterogenen Reaktionen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine vergrößerte schematische perspektivische Ansicht einer Einzelheit des Reaktors von 1;
3 eine vergrößerte, längs geschnittene schematische Ansicht einer Einzelheit des Reaktors von 1;
4 eine schematische Draufsicht eines kegelförmigen Wendelrohrs mit konstanten Abstand für den Durchlauf eines Kühl- oder Erwärmungsfluids, von der Art, die im Reaktor von 1 verwendet wird;
5 eine schematische Draufsicht des Rohrs von 4 mit veränderlichem Abstand; und
6 eine Längsschnittansicht eines isothermischen Reaktors zur Durchführung von exothermen oder endothermen, heterogenen Reaktionen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Mit Bezug auf die 1 bis 5 ist ein isothermischer Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung zur Durchführung von exothermen oder endothermen, heterogenen Reaktionen in seiner Gesamtheit mit 1 angegeben.
Der Reaktor 1 umfasst eine Außenhülle 2 von im wesentlichen zylindrischen Form, innerhalb der ein katalytisches Bett aufgenommen ist, das allgemein mit 3 angegeben ist.
An seinen Seiten ist das katalytische Bett 3 von gegenüberliegenden, perforierten Seitenwänden 4 und 5 begrenzt, die dem Einlass eines Stroms, der Reaktionspartner enthält, bzw. dem Auslass eines Stroms dienen, der zur Reaktion gekommene Substanzen umfasst.
Allgemein gesprochen befinden sich die Substanzen, die in den Reaktor 1 zur Durchführung der exothermen oder endothermen heterogenen Synthesen eingeleitet werden, in der gasförmigen Phase.
Daher soll in der nachfolgenden Beschreibung mit den Begriffen "Strom mit Reaktionspartnern" und "Strom mit zur Reaktion gekommenen Substanzen" ein Strom aus gasförmigen Reaktionspartnern bzw. ein Strom aus zur Reaktion gekommenen Gasen gemeint sein. Es ist ohnehin klar, dass der Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung auch für Reaktionen eingesetzt werden könnte, die in flüssiger Phase oder flüssiger/gasförmiger Phase ablaufen.
In dem hier beschriebenen Beispiel sind die perforierten Wände 4 und 5 bezüglich des Einlasses eines Stroms aus gasförmigen Reaktionspartnern in das katalytische Bett 3 bzw. des Auslasses eines Stroms aus zur Reaktion gekommenen Gasen mithin gasdurchlässig.
Das katalytische Bett 3 ist an seinem unteren Teil darüber hinaus von einem nicht perforierten Boden (für Gase nicht durchlässig) begrenzt, der in dem Beispiel von 1 dem Boden 6 des Reaktors 1 entspricht, und an seinem Oberteil von einer perforierten Wand 7 (gasdurchlässig) für den mit axialer Bewegung erfolgenden Durchlass eines kleineren Teils der gasförmigen Reaktionspartner durch das Bett 3.
Um ein ordnungsgemäßes axiales/radiales Durchqueren des katalytischen Bett 3 zu ermöglichen, wobei der radiale Anteil in Bezug auf den axialen Anteil überwiegt, hat die Seitenwand 5 einen kleinen, nicht perforierten Abschnitt 5' (nicht durchlässig für Gase), der sich an einem oberen Ende von dieser erstreckt.
Die gasdurchlässige Wand 7 ist ohnehin gänzlich optional und hat in erster Linie die Funktion, den Katalysator (in 1 nicht dargestellt) innerhalb des Betts 3 zu halten, so dass sie auch weggelassen werden kann.
Wann immer ein lediglich radiales Durchqueren des katalytischen Betts erforderlich ist, ist andererseits eine Wand 7 vorgesehen, die nicht perforiert oder auf irgendwelche andere Weise für das Gas nicht durchlässig ist.
Sowohl das katalytische Bett in radialer Bauart als auch – in noch ausgeprägterer Art und Weise – das katalytische Bett in axial-radialer Bauart sind besonders vorteilhaft, weil sie für die gasförmigen Reaktionspartner die Erlangung von hohen Umwandlungsausbeuten bei gleichzeitig geringen Druckabfällen ermöglichen, indem sie Katalysatoren größerer Aktivität mit kleinerer Korngröße verwenden.
Zwischen der Hülle 2 und der Seitenwand 4 ist ein Ringraum 8 vorgesehen, um eine optimale Verteilung und Einspeisung der gasförmigen Reaktionspartner in das katalytische Bett 3 zu ermöglichen. Zu diesem Zweck steht der Raum 8 in Fluidverbindung mit einer Gaseinlassdüse 9.
Die Seitenwand 5 bildet ihrerseits in ihrem Inneren eine Leitung 10 zum Auffangen und Ausstoßen des Stroms aus zur Reaktion gekommenen Gasen aus dem Reaktor. Zu diesem Zweck steht die Leitung 10 in Fluidverbindung mit einer Gasauslassdüse 11 und ist an ihrer Oberseite mit einem Abschlussblech 12 verschlossen, das nicht gasdurchlässig ist.
Um nun von den innerhalb des katalytischen Betts 3 strömenden Gasen Wärme abziehen zu können bzw. diesen Wärme zuführen zu können, um so den Reaktor 1 isothermisch zu halten, wird dass Bett 3 von einer Vielzahl von Rohren durchquert, die alle mit der Bezugszahl 13 bezeichnet sind, und dem Durchlass eines Kühl- oder Erwärmungsfluids dienen.
Das Kühl- oder Erwärmungsfluid wird in das Rohr 13 durch eine Leitung 14 eingeleitet, die in Fluidverbindung mit einer oder mehreren Einlassdüsen 15 steht, und wird aus den Rohren 13 durch eine Leitung 16 abgezogen, die in Fluidverbindung mit einer oder mehreren Auslassdüsen 17 steht.
Die Anzahl der Düsen 15 bzw. 17 (hier zwei an der Zahl, was das vorliegende Beispiel betrifft) ist entsprechend der Durchflussrate des Kühl- oder Erwärmungsfluids gewählt. Vorzugsweise gilt, dass die Anzahl der Auslassdüsen 15 und 17 umso größer ist, je höher die Duchflussrate liegt.
Die Düse(n) 14 steht/stehen über einen toroidalen Sammler 14a in Fluidverbindung mit der/den Düse(n) 15, wohingegen die Düse(n) 16 über einen toroidalen Sammler 16a in Fluidverbindung mit der/den Düse(n) 17 steht/stehen.
Gemäß einem besonders vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung erstrecken sich die Rohre 13 zum Abführen oder Zuführen von Wärme innerhalb des katalytischen Betts 3 in Form einer kegelförmigen Wendel.
Dabei wird jede Windung des Rohrs 13 von einem Anteil der Reaktionsgase mit jeweils anderer Temperatur quer angeströmt, womit sie alle thermischen Schwankungen der Reaktionsgase vom Einlass zum Auslass des katalytischen Betts 3 mitmachen und folglich dem Temperaturprofil folgen kann.
Die Rohre 13 in Form einer kegelförmigen Wendel unterliegen alle der gleichen thermischen Belastung und arbeiten folglich in derselben Art und Weise.
Dies führt zu einer optimalen Verteilung der Temperaturen im Bett 3 ohne das Risiko von steilen Temperaturanstiegen, und zu einem effizienten Wärmeaustausch zwischen den gasförmigen Reaktionspartnern und dem Kühl- oder Erwärmungsfluid, was der Umwandlungsausbeute und dem Energieverbrauch voll zum Vorteil gereicht.
Es ist klar, dass innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung auch ein Reaktor 1 vorgesehen ist, der mehrere katalytische Betten 3 umfasst, wobei entsprechend dem exothermen oder endothermen Grad der Reaktion und/oder den Abmessungen des katalytischen Betts die Betten von einer ver änderlichen Anzahl von Rohren 13 (zumindest eines) durchquert werden können.
Innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung ist auch ein Reaktor 1 enthalten, der ein oder mehrere katalytische Betten umfasst, die von dem Strom aus Reaktionspartnern mit einer hauptsächlich radialen Bewegung von der Mitte (Leitung 10) zur Außenperipherie (Raum 8) durchquert werden.
Die Rohre 13 können einzeln an die Düsen 15 und 17 angeschlossen sein, womit jedes Rohr 13 an eine Zuführleitung 14 bzw. eine Leitung 16 zum Abführen des Kühl- oder Erwärmungsfluids angeschlossen ist. Sie können auch zu Gruppen aus zumindest zwei Rohren verbunden sein, d.h. an eine Leitung 14 und eine Leitung 16 für jede Gruppe von Rohren 13 (1). Sie können sogar über eine einzige Leitung 14 und eine einzige Leitung 16 angeschlossen sein, wobei alle Rohre 13 miteinander verbunden sind (also hintereinander geschaltet sind); oder aber die Rohre 13 sind alle direkt an die einzelne Leitung 14 und 16 angeschlossen (6).
Vorzugsweise sind die Rohre 13 an jeweiligen freien Enden zu Gruppen von jeweils zumindest zwei Rohren miteinander verbunden (drei im Beispiel von 1), wobei jede Gruppe in Fluidverbindung mit einer Leitung 14 zum Zuführen und einer Leitung 16 zum Abführen des Kühl- oder Erwärmungsfluids steht. Die verschiedenen Leitungen 14 und 16 stehen ihrerseits in Fluidverbindung mit der Düse 15 bzw. 17.
Die Verbindung zwischen den einzelnen benachbarten Rohren wird mittels Verbindungsrohren bewerkstelligt, die alle mit 19 angegeben sind, wie in 2 und 3 besser zu sehen ist.
Mit anderen Worten sind die einzelnen Rohre 13 innerhalb jeder Rohrgruppe hintereinander geschaltet, wohingegen die verschiedenen Gruppen im katalytischen Bett 3 parallel angeordnet sind.
Sind mehrere Leitungen 14 und 16 vorgesehen, führen diese in die jeweiligen Sammler 14a und 16a sowie in die jeweiligen Rohre 13 vorzugsweise unter einer winkelmäßig versetzten Position in Bezug aufeinander.
Im Beispiel von 1 sind die erste und letzte Gruppe von Rohren 13 gezeigt, die im katalytischen Bett 3 enthalten sind.
Das Kühl- oder Erwärmungsfluid wird mittels jeweiliger Leitungen 14 an einem Ende der unteren Rohre 13 jeder Gruppe eingeleitet, man lässt es durch die Rohre 13 jeder Gruppe hindurchströmen, wobei ein Wärmeaustausch besagter Einheit stattfindet. Schließlich wird es mittels jeweiliger Leitungen 16 von einem Ende der oberen Rohre 13 jeder Gruppe abgezogen.
Alternativ kann ein Durchströmen der Rohrgruppen durch das Kühl- oder Erwärmungsfluid in einer nach unten führenden Richtung bereitgestellt werden. In diesem Fall wird das Fluid durch die Leitungen 16 in die Rohre 13 eingeleitet und durch die Leitungen 14 abgezogen.
Es wäre festzuhalten, dass sich die ergebende Konstruktion leicht aufbauen und betreiben lässt, und auch das Vorsehen einer Rohrplatte nicht erforderlich ist, womit sich hinsichtlich des Standes der Technik Einsparungen in Bezug auf Investitions- und Instandhaltungskosten ergeben.
Die in 1 gezeigte Ausführungsform ist vorteilhafter als eine, bei der jedes einzelne Rohr 13 separat an die Düsen 15 und 17 angeschlossen ist, insbesondere bei langen Reaktoren, die mit einer großen Anzahl von Rohren 13 versehen sind. Hier ist die Anzahl der Leitungen 14 und 16 tatsächlich reduziert (je nach der Anzahl von Rohren 13, die eine jeweilige Gruppe bilden), und somit sind der Innenaufbau des Reaktors und die bauliche Komplexität drastisch vereinfacht.
Darüber hinaus ist die in 1 gezeigte Ausführungsform vorteilhafter als eine, bei der alle Rohre 13 aneinander angeschlossen sind (hintereinander geschaltet sind), wobei die Rohre am jeweiligen unteren und oberen Ende an eine einzelne Leitung 14 bzw. 16 angeschlossen sind, da hier für das Kühl- oder Erwärmungsfluid ein geringerer Druckabfall besteht.
Dagegen ist ein Aufbau, bei dem alle Rohre 13 miteinander verbunden sind, besonders einfach zu erhalten, da er für das Kühl- oder Erwärmungsfluid nur ein Zuführleitung 14 und eine Abführleitung 16 benötigt.
Diese konstruktive Einfachheit liegt auch in dem Fall vor, bei dem die Rohre 13 direkt an eine einzelne Rohrleitung 14 und 16 angeschlossen sind (parallele Anordnung von 6), ohne dass aber dabei die Nachteile hinsichtlich des Druckabfalls bestünden, der sich aus der zuvor erwähnten Anordnung in Hintereinanderschaltung ergibt.
Die kegelförmige Wendel der Rohre 13 ist besonders vorteilhaft sowohl im Hinblick auf den Wärmeaustauschwirkungsgrad als auch was die konstruktive Einfachheit und Flexibilität betrifft.
Das kegelförmige Wendelrohr 13 kann sich seinerseits an die sich stark verändernden Abmessungen des katalytischen Betts 3 anpassen, und kann insbesondere all dessen Teilbereiche überdecken, wodurch überall im Bett ein effizienter Wärmeaustausch stattfinden kann.
Darüber hinaus kann je nach der Menge der abzuführenden oder zuzuführenden Wärme das spiralförmige Rohr 13 mit Windungen ausgeführt sein, die einen mehr oder weniger kleinen Abstand zueinander haben.
Im Beispiel von 1 laufen die kegelförmigen Wendelrohre 13 nach oben, wobei die hypothetische Spitze des Kegels auf der Achse 18 des Reaktors liegt. Alternativ kann ein solcher Verlauf auch nach unten stattfinden (Ausführungsform nicht gezeigt).
Die/das das katalytische Bett zum Abzug oder zur Zufuhr von Wärme durchquerende(n) kegelförmige(n) Wendelrohr(e) ist/sind wie in 4 gezeigt vorzugsweise mit einem konstanten Radialabstand gefertigt, d.h. mit Windungen mit einem Durchmesser, der bei Annäherung an die Spitze des Kegels gleichmäßig abnimmt.
Alternativ kann der Durchmesser der kegelförmigen Windungen eines Rohrs 13 sich diskontinuierlich verändern, so dass es sich dem Temperaturprofil der gasförmigen Reaktionspartner im katalytischen Bett 3 von sich aus anpasst und alle seine thermischen Schwankungen mitmacht.
Gemäß dieser in 5 ausgezeichneten Ausführungsform nimmt der Radialabstand mit Annäherung an die Spitze des Kegels zu.
Um die heterogene Verteilung des Stroms aus gasförmigen Reaktionspartnern im katalytischen Bett 3 auf die bestmögliche Art und Weise zu berücksichtigen, insbesondere für ein axial-radiales Bett, können die Rohre 13 vorteilhafter Weise mit einem veränderlichen Abstand zwischen ihnen angeordnet werden.
Dabei ist es möglich, den Abstand der Rohre 13 entsprechend der abzuführenden oder zuzuführenden Wärmemenge anzupassen, in anderen Worten dem Temperaturprofil im katalytischen Bett 3 zu folgen, und zwar ganz zum Vorteil des Wärmeaustauschwirkungsgrads, was die Umwandlungsbeute und den Energieverbrauch günstig beeinflusst.
Gemäß dieser nicht gezeigten Ausführungsform ist es möglich, eine höhere Konzentration von Rohren 13 zu erhalten (kleinerer Abstand zwischen benachbarten kegelförmigen Wendelrohren), wobei aufgrund einer größeren Konzentration von gasförmigen Reaktionspartnern ein höherer Wärmestrom vorliegt und somit auch größere thermische Belastungen auftreten, sowie auch eine geringere Konzentration von Rohren 13 (größerer Abstand zwischen be nachbarten kegelförmigen Wendelrohren), wo die Konzentration von gasförmigen Reaktionspartnern niedriger ist.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, ist es außerdem möglich, an einer bestimmten konischen Fläche innerhalb des katalytischen Betts 3 viele zueinander versetzte wendelförmige Rohre vorzusehen, die also an jeweiligen Schraubenlinien entlanglaufen, um die Oberfläche für den Durchgang des Fluids innerhalb der Spiralen in vorteilhafter Weise zu vergrößern.
In 6 ist ein isothermischer Reaktor zur Durchführung von exothermen oder endothermen heterogenen Reaktionen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
In dieser Figur sind die Einzelheiten des Reaktors 1, die im Hinblick auf die Konstruktion und den Betrieb den in 1 dargestellten entsprechen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht noch einmal beschrieben.
In Beispiel von 6 ist es wichtig festzuhalten, dass die kegelförmigen Wendelrohre 13 an den jeweiligen freien Enden vorteilhafter Weise alle an dieselbe Leitung 14 zum Zuführen und an dieselbe Leitung 16 zum Abführen des Kühl- oder Erwärmungsfluids angeschlossen sind, um eine einzelne Gruppe aus parallel angeordneten Rohren 13 zu bilden.
Der Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich vorteilhafter Weise zur Durchführung von im Wesentlichen allen Arten exothermer oder endothermer Reaktionen verwenden. Beispiele für exotherme Reaktionen, die sich zur Ausführung mit der vorliegenden Erfindung gut eignen, können insbesondere folgende sein: Methanol, Ammoniak, Formaldehyd, organische Oxidation (z.B. Ethylenoxid), wohingegen als Beispiele für endotherme Reaktionen Styrol und Methylbenzol genannt werden können.
Fluide wie z.B. Heißwasser, das sich bei einem hohem thermischen Niveau in Dampf verwandelt, oder geschmolzene Salze oder diathermische Öle, werden vorzugsweise zum Abzug der Wärme verwendet (im Falle von exothermen Reaktionen). Im Falle von endothermen Reaktionen können zum Zuführen von Wärme auch entsprechende Fluide verwendet werden.
Der Betrieb des erfindungsgemäßen Reaktors 1 zur Durchführung von exothermen oder endothermen Reaktionen wird nun nachstehend beschrieben.
Es wäre festzuhalten, dass die Betriebsbedingungen bezüglich Druck und Temperatur der in das katalytische Bett 3 eingeleiteten gasförmigen Reaktionspartner, sowie diejenigen des durch die Rohre 13 strömenden Kühl- oder Erwärmungsfluids denen entsprechen, die man für die durchzuführende spezifische Reaktion herkömmlicherweise antrifft; daher werden diese in der nachfolgenden Beschreibung auch nicht in letzter Einzelheit beschrieben.
Als Beispiel werden nur die Betriebsbedingungen für die Methanolsynthese angegeben: Synthesedruck 50 bis 150 bar, Synthesetemperatur 200 bis 300 °C, Druck des erzeugten Dampfes 15 bis 40 bar.
Mit Bezug auf 1 wird durch die Gaseinlassdüse 9 ein Strom aus gasförmigen Reaktionspartnern in das katalytische Bett 3 eingeleitet und strömt durch die perforierten Wände 4 und 7 in dieses ein. Das katalytische Bett 3 wird von den gasförmigen Reaktionspartnern dann in einer hauptsächlich radialen (axialen-radialen) Bewegung durchquert, die dann reagieren, wenn sie in Kontakt mit dem Katalysator gelangen.
Die während der Synthesereaktion entstandene Wärme bzw. die Wärme, die zur Durchführung einer solchen Reaktion erforderlich ist, wird von einem die Rohre 13 durchlaufenden Fluid abgeführt oder zugeführt.
Dieses Fluid gelangt durch die Düse 15 in den Reaktor 1 und wird durch die Leitungen 14 den unteren Rohren 13 jeder Gruppe zugeführt. Dann läuft es durch die Rohre 13 einer jeweiligen Gruppe, die an ihren freien Enden durch Rohrleitungen 19 verbunden sind, wird durch die Leitungen 16 von den oberen Rohren 13 der jeweiligen Gruppen abgezogen und verlässt den Reaktor 1 durch die Gasauslassdüse 17.
Schließlich verlässt der im katalytischen Bett 3 erhaltene Strom aus reagierten Gasen das Bett durch die perforierte Wand 5, sammelt sich in der Leitung 10 und wird dann aus dem Reaktor 1 durch die Gasauslassleitung 11 ausgestoßen.
Der Betrieb des Reaktors 1 von 6 entspricht dem von 1, außer dass die Rohre 13 alle parallel an eine einzelne Leitung 14 und 16 angeschlossen sind. Daraus folgt, dass das Kühlfluid den Rohren 13 durch die Leitung 14 parallel zugeführt wird; es fließt durch die Rohre und gelangt in die Leitung 16, um dann über die Düse 17 aus dem Reaktor 1 abgezogen zu werden.
Aus der obigen Beschreibung gehen klar die zahlreichen Vorteile hervor, die mit der vorliegenden Erfindung erzielt werden, insbesondere das Vorsehen eines Reaktors zur Durchführung exothermer oder endothermer Reaktionen, der leicht zu realisieren und zuverlässig ist sowie geringe Investitions- und Instandhaltungskosten erfordert, und dabei mit einer hohen Umwandlungs ausbeute, geringen Druckabfällen, niedrigem Energieverbrauch und mit einem hohen Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs zwischen den gasförmigen Reaktionspartnern und dem Kühl- oder Erwärmungsfluid arbeiten kann.

Claims

Isothermischer Reaktor zur Durchführung von heterogenen, exothermen oder endothermen Reaktionen, umfassend: – eine vorzugsweise vertikale Außenhülle (2) von im Wesentlichen zylindrischer Form; – zumindest ein katalytisches Bett (3), das in der Hülle (2) vorgesehen ist und gegenüberliegende, perforierte Seitenwände (4, 5) für den Einlass eines Reaktionspartner enthaltenden Stroms bzw. den Auslass eines zur Reaktion gekommenen Substanzen enthaltenden Stroms aufweist; und – zumindest ein Rohr (13), das durch das zumindest eine katalytische Bett (3) hindurch läuft, um ein Kühl- oder Erwärmungsfluid zu leiten; dadurch gekennzeichnet, dass sich das zumindest eine Rohr (13) innerhalb des zumindest einen katalytischen Betts (3) in Form einer kegelförmigen Wendel erstreckt.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Rohr (13) in Form einer kegelförmigen Wendel mit konstantem Radialabstand verläuft.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Rohr (13) in Form einer kegelförmigen Wendel mit veränderlichem Radialabstand verläuft.
Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Annäherung an die Spitze des Kegels der Radialabstand zunimmt.
Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit zunehmendem Radius der Spirale der Windungsabstand abnimmt.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vielzahl von Rohren (13) umfasst, die in dem zumindest einen kata lytischen Bett (3) mit unterschiedlichen Abständen zwischen benachbarten Rohren (13) angeordnet sind.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in dem zumindest einen katalytischen Bett (3) eine Vielzahl von Rohren (13) umfasst, die übereinander liegend angeordnet und an jeweiligen freien Enden verbunden sind.
Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (13) miteinander in Gruppen von zumindest zwei Rohren verbunden sind, wobei jede Gruppe in Fluidverbindung mit einer Leitung (14) zum Zuführen und einer Leitung (16) zum Abführen des Kühl- oder Erwärmungsfluids steht.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in dem zumindest einen katalytischen Bett (3) eine Vielzahl von Rohren (13) umfasst, die übereinander liegend angeordnet und an jeweiligen freien Enden an die Leitung (14) zum Zuführen und die Leitung (16) zum Abführen des Kühl- oder Erwärmungsfluids angeschlossen sind.