DE102006006379B4

DE102006006379B4 - Verwendung einer Vorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung von Stoffen

Info

Publication number: DE102006006379B4
Application number: DE200610006379
Authority: DE
Inventors: Arne Schadt; Martin MÜLLER-HASKY; Andreas Ochs
Original assignee: Lurgi GmbH
Current assignee: Air Liquide Global E&C Solutions Germany GmbH
Priority date: 2006-02-11
Filing date: 2006-02-11
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2026-02-12
Also published as: DE102006006379A1

Abstract

Verwendung einer Vorrichtung, bestehend aus über einen zentralen Hohlkörper miteinander verbundenen Hohlkörpern, deren Mittellinien die Form einer Evolvente beschreiben, zur gleichmäßigen Verteilung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen oder Stoffgemischen in einem Wirbelbettreaktor.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Vorrichtung, bestehend aus über einen zentralen Hohlkörper miteinander verbundenen Hohlkörpern, deren Mittellinie die Form einer Evolvente beschreiben, zur gleichmäßigen Verteilung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen oder Stoffgemischen.
Das Erfordernis einer gleichmäßigen Aufgabe von Stoffen mit verschiedenen Aggregatzuständen in andern Stoffen ist in der Technik eine häufige Aufgabenstellung. Insbesondere bei Mehrphasen-Oxidationsreaktionen im Wirbelbett ist eine möglichst gleichmäßige Verteilung des zu oxidierenden Stoffes im Reduktionsgas von größter Wichtigkeit. Eine inhomogene Verteilung führt in Wirbelbettreaktoren zu örtlichen Über- bzw. Unteroxidationsreaktionen, was niedrigere Ausbeuten zur Folge hat. Im Extremfall können diese Inhomogenitäten des Reaktionsgases zu lokalen Überhitzungen bis hin zu Explosionen im Reaktor führen.
Beispielhaft für Mehrphasen-Oxidationsreaktionen im Wirbelbett seien hier die Herstellung von Acrylnitril und Maleinsäureanhydrid genannt. In beiden Fällen dient Luft als Reaktionsgas. Die aufgegebene Luft erzeugt zusammen mit dem im Reaktor befindlichen Katalysator ein Wirbelbett. In diese Wirbelbett werden die zu oxidierenden Stoffe mit Hilfe von Verteilern aufgegeben. Im falle von Acrylnitril sind dies Propylen und/oder Propan und Ammoniak, bei der Herstellung von Maleinsäureanhydrid ist es Butan.
Ebenfalls in einem Wirbelbett erfolgt die Umsetzung von Harnstoff zu Melamin. Auch hier wir mit Hilfe eines Gases und eines Katalysators in einem Reaktor ein Wirbelbett erzeugt, in das der flüssige Harnstoff eingedüst wird. Anders als bei den beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Acrylnitril und Maleinsäureanhydrid wird der Harnstoff nicht mit Luft oxidiert, sondern er reagiert mit Hilfe des Katalysators zu Isocyansäure und Ammoniak. In einem zweiten Schritt reagiert die gebildete Isocyansäure zu Melamin und Kohlendioxid. Eine unzureichende Verteilung führt in diesem System ebenfalls zu geringeren Ausbeuten.
Zur Verteilung von gasförmigen und flüssigen Stoffen in andern gasförmigen, flüssigen oder festen Stoffen, sind dem Fachmann eine Vielzahl von Vorrichtungen bekannt.
In der Veröffentlichung „Fluidization Engineering”, Second Edition von Daizo Kunii und Octave Levenspiel aus dem Jahre 1991 ist auf Seite 98 in Bild 4 eine typische Vorrichtung zur Verteilung eines Gases in einem Wirbelbettreaktor dargestellt. Von einem Zentralrohr gehen mehrere Rohre, die mit Austrittsöffnungen für das zu verteilende Gas versehen sind, horizontal in beide Richtungen ab. Dabei besitzen die abgehenden Rohre unterschiedliche Längen, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung über den zylindrischen Querschnitt des Wirbelbettreaktors zu erreichen. Ein derartiger Verteiler ist in 1 schematisch dargestellt. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass die abgehenden Rohre unterschiedliche Längen aufweisen, wodurch es beim Durchströmen des Verteilersystems mit Gas zu unterschiedlichen Druckverlusten in den einzelnen Rohrabschnitten kommt, die einer gleichmäßigen Gasverteilung über das Gesamtsystem entgegenstehen.
Ein weiterer gebräuchlicher Verteilertyp ist schematisch in 2 dargestellt. Bei diesem Typ gehen von einem Zentralrohr mehrere gleichlange Rohre radial sternförmig ab, die sich auf einer Ebene befinden und untereinander in Bezug auf das Zentralrohr den gleichen Winkel besitzen. Die abgehenden Rohre sind mit Austrittsöffnungen für das zu verteilende Gas versehen. Zwar herrscht in diesem Verteiler, im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten, aufgrund der gleichmäßigen Längen der abgehenden Rohre bei der Durchströmung mit Gas ein gleichmäßiger Druckverlust. Nachteilig ist jedoch, dass der Abstand der Rohre zueinander mit zunehmender Entfernung vom Zentralrohr immer größer wird, was insbesondere ein einem zylindrischen Behälter dazu führt, dass die Querschnittsfläche, die von einem abgehenden Rohr mit Gas beaufschlagt werden soll, mit zunehmendem Abstand vom Zentralrohr immer größer wird, was eine gleichmäßige Gasverteilung über den Querschnitt des Behälters unmöglich macht.
Aus der EP 0 484 534 A1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines katalytischen Verfahrens in einer körnigen in einem zylindrischen mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung versehenen Gehäuse befindlichen Schicht bekannt. In dem Gehäuse sind ein erster äußerer und ein zweiter innerer perforierter Hohlzylinder derart konzentrisch angeordnet, dass zwischen dem Außenmantel des ersten Hohlzylinders und dem Innenmantel des Gehäuses ein Ringraum und zwischen dem Innenmantel des ersten Hohlzylinders und dem Außenmantel des zweiten Hohlzylinders ein Ringraum besteht, wobei letzterer mit einem körnigen in Form eines Festbetts angeordneten Katalysator ausgefüllt ist und in axialer Richtung durch zwei Trennwände begrenzt ist, von denen eine die Zone des zuzuleitenden Mediums und die andere die Zone des abzuleitenden Mediums abtrennt. In dem von den beiden Hohlzylinders gebildeten Ringraum sind aus flachem Blechmaterial bestehende Wände zur Ausbildung von koaxialen Kanälen angebracht, wobei in jedem beliebigen Querschnitt eines jeden Kanals der Mediumstrom eine vorgegebene Geschwindigkeit aufweist. Die die Kanäle bildenden durch die Hohlzylinder begrenzten Wände besitzen die Form einer Flachspirale, die um einen auf der Gehäuseachse liegenden Punkt verdreht ist.
Gegenstand der DE 199 08 590 C1 ist ein Reaktor zur katalytischen Umsetzung eines Gasgemisches in einer als Festbett angeordneten Katalysatorschüttung. Der Reaktor besitzt zahlreiche in der Katalysatorschüttung angeordnete Rohre zum Hindurchleiten eines Heiz- oder Kühlfluids, deren Eintrittsöffnungen mit mindestens einer Eintrittskammer und deren Austrittsöffnungen mit mindestens einer Austrittskammer verbunden sind, von denen zwei bis fünfzig Verteilungskammern ausgehen, wobei mit jeder Verteilungskammer mindestens zwanzig senkrecht zu den Verteilungskammern angeordnete Rohre mit ihrer Eintritts- oder Austrittsöffnung verbunden und die Verteilungskammern als gekrümmte Kanäle, deren Mittellinie die Form einer Evolvente hat, ausgebildet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen oder Stoffgemischen in einem Wirbelbettreaktor bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verwendung einer Vorrichtung gelöst, die aus mehreren mit Austrittsöffnungen versehenen, über einen zentralen Hohlkörper miteinander verbundenen Hohlkörpern, deren Mittellinien die Form einer Evolvente beschreiben, besteht.
Vorzugsweise wird diese Vorrichtung für einen Wirbelbettreaktor verwendet, in dem Acrylnitril, Maleinsäureanhydrit oder Melamin hergestellt wird.
Mathematisch kann die Kreisevolvente durch folgende bekannte Gleichung beschrieben werden: S = 0,5·r·x2
Dabei bedeuten:

S: = Bogenlänge der Evolvente;
x: = Drehwinkel im Bogenmaß;
r: = Radius der Evolvente.

Der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die von dem zentralen Hohlkörper ausgehenden Verteilerhohlkörper, deren Mittellinien die Form einer Evolvente beschreiben, die gleiche Länge und untereinander den gleichen Abstand besitzen. Die gleiche Länge der Verteiler führt dazu, dass der Druckverlust in allen Hohlkörpern beim Durchströmen eines Stoffes annähernd gleich ist. Dadurch ist gewährleistet, dass der zu verteilende Stoff vom Zentralhohlkörper auf alle Verteilerhohlkörper gleichmäßig verteilt wird. Der gleichbleibende Abstand der Verteilerhohlkörper ermöglicht dann wiederum eine gleichmäßige Verteilung des Stoffes über die gesamte Querschnittsfläche eines zylindrischen Behälters.
Vorzugsweise werden Rohre sowohl für den zentralen Hohlkörper als auch für die Verteilerhohlkörper verwendet.
In 3 ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung dargestellt. In der Apparatur 1 befindet sich das Verteilersystem, das in der Mitte einen zentralen Hohlkörper 5 besitzt, an dessen Ende sich mehrere Hohlkörper 6 befinden, die die Form einer Evolvente beschreiben. Auf den Hohlkörpern 6 befinden sich Öffnungen 4, aus denen der zu verteilende Stoff austritt.

1: Apparatur
2: Zentralrohr
3: Verteilerrohre
4: Austrittsöffnungen
5: Zentraler Hohlkörper
6: Hohlkörper
7: Unterstützung

Claims

Verwendung einer Vorrichtung, bestehend aus über einen zentralen Hohlkörper miteinander verbundenen Hohlkörpern, deren Mittellinien die Form einer Evolvente beschreiben, zur gleichmäßigen Verteilung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen oder Stoffgemischen in einem Wirbelbettreaktor.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 für die Herstellung von Acrylnitril, Maleinsäureanhydrid oder Melamin in einem Wirbelbettreaktor.