DE20112489U1

DE20112489U1 - Vorrichtung zur Nachbehandlung von Reaktionsgasen

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Publication number: DE20112489U1
Application number: DE20112489U
Authority: DE
Original assignee: Balcke Duerr Energietechnik GmbH
Current assignee: Balcke Duerr Energietechnik GmbH
Priority date: 2001-07-28
Filing date: 2001-07-28
Publication date: 2001-10-25
Anticipated expiration: 2011-07-29

Description

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PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. WOLFRAM WATZKE (-1999)

DIPL-ING. HEINZ J. RING

DIPL-ING. ULRICH CHRISTOPHERSEN

DIPL-ING. MICHAEL RALJSGH

DIPL.-ING. WOLFGANG BRINGMANN

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Datum 27. Juli 2001
Vorrichtung zur Nachbehandlung von Reaktionsqasen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Reaktionsgasen, in der das Reaktionsgas zunächst einen Kühler und anschließend einen katalytisch arbeitenden Nachreaktor durchströmt, wobei das Reaktionsgas den Kühler von unten nach oben und im Gleich- oder Gegenstrom zu dem wärmeaufnehmenden Medium durchströmt.

Derartige Vorrichtungen kommen insbesondere in der chemischen Industrie zur Anwendung, z. B. bei der Gewinnung von Phthalsäureanhydrid (PSA). Um das PSA aus dem den Reaktor verlassenden, heißen Trägergas gewinnen zu können, muß das PSA vor dem Einleiten in einen Nachreaktor heruntergekühlt werden. Hierzu ist aus der DE 197 42 821 A1 eine Anordnung zur Kühlung eines einen Reaktor verlassenden, mit Produktdämpfen beladenen heißen Trägergases bekannt, bei der innerhalb eines Gehäuses hintereinander ein von einem Kühlfluid durchströmter Kühler sowie ein mit Katalysatoren versehener Nachreaktor angeordnet sind. Der Kühler sowie die Katalysatoren werden nacheinander vertikal durchströmt, anschließend erfolgt eine Umlenkung zu einer von einem Wärmeträgerfluid durchströmten zweiten Wärmetauschereinheit. Infolge dieser Strömungsführung strömt das Trägergas an dem einen Ende in das Gehäuse ein, und verläßt dieses Gehäuse an dessen anderem Ende.

Durch die Anordnung der einzelnen Komponenten der Vorrichtung im wesentlichen übereinander erfordert die bekannte Vorrichtung eine erhebliche Bauhöhe, wodurch die Zugänglichkeit zu den weiter oben angeordneten Komponenten, und

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insbesondere den Katalysatoren des Nachreaktors sowie zu dem weiteten Wärmetauscher erschwert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Reaktionsgasen zu schaffen, die sich durch eine kompakte Bauweise mit kurzen freien Strömungswegen und guter Zugänglichkeit der Einbauten auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, daß der Kühler in seinem oberen Bereich mit über seinen Umfang verteilten Gasaustrittsöffnungen versehen ist, über die das abgekühlte Reaktionsgas in eine den Kühler konzentrisch umgebende Ringkammer gelangt, in der die Katalysatoren des Nachreaktors angeordnet sind.

Eine solchermaßen gestaltete Vorrichtung zur Nachbehandlung von Reaktionsgasen zeichnet sich vor allem durch eine kompakte Bauweise mit kurzen freien Strömungswegen aus.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Gasaustrittsöffnungen Bestandteil einer 180°- Strömungsumlenkung des Reaktionsgases, so daß dieses die Ringkammer mit dem Nachreaktor von oben nach unten durchströmt. Dies führt zu einer besonders kompakten Bauweise der Vorrichtung mit nur geringer Bauhöhe.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der im Querschnitt kreisförmige Kühler in einen zylindrischen inneren Leitmantel eingesetzt, der konzentrisch von einem vorzugsweise ebenfalls zylindrischen äußeren Leitmantel umgeben ist, wobei die Ringkammer durch diese beiden Leitmäntel begrenzt wird. Vorzugsweise befinden sich in diesem Fall die Gasaustrittsöffnungen des Kühlers in der Wandung des inneren Leitmantels.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Ringkammer nach oben hin durch eine Ringhaube verschlossen, deren Innenrand oberhalb der Gasaustrittsöffnungen mit dem inneren Leitmantel, und deren Außenrand mit dem äußeren Leitmantel druckfest verbunden ist.

Vorzugsweise ist die Ringkammer auch nach unten hin durch eine Ringhaube verschlossen, deren Innenrand mit dem inneren Leitmantel, und deren Außenrand mit dem äußeren Leitmantel druckfest verbunden ist.

Zur Vermeidung von Wärmedehnungen und damit Spannungen im Zusammenhang mit dem thermisch hochbelasteten Kühler wird vorgeschlagen, daß der Kühler hängend in dem inneren Leitmantel angeordnet ist, wobei seine vertikale Abstützung gegenüber dem Leitmantel durch Abstützelemente erfolgt, die sich oberhalb der Wärmeaustauschflächen des Kühlers befinden. Infolge dieser hängenden Anordnung des Kühlers innerhalb der Vorrichtung wird ferner die Montage und Demontage der Vorrichtung insgesamt vereinfacht. Außerdem lassen sich auf diese Weise Wartungs- oder Reparaturarbeiten an dem Kühler und insbesondere an dessen Rohrbündeln leichter durchführen.

Mit einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß unter dem Nachreaktor in der Ringkammer ein zusätzlicher Wärmetauscher angeordnet ist. Dieser kann z. B. der Vorwärmung von Kesselspeisewasser dienen. Auf diese Weise wird die hohe Temperatur des den Nachreaktor verlassenden Reingases zusätzlich ausgenutzt.

Schließlich wird mit einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, daß der Kühler als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgebildet ist, dessen Rohre das wärmeaufnehmende Medium im Gleichstrom zu dem Reaktionsgas durchströmt, und daß eine Zuleitung für das wärmeaufnehmende Medium zentral durch das Rohrbündel hindurch bis zu einem Sammler geführt ist, in den die Eintrittsöffnungen der Rohre münden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, welches auf der Zeichnung dargestellt ist. Die einzige Figur zeigt einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nachbehandlung von Reaktionsgasen.

Die auf der Figur dargestellte Vorrichtung dient der katalytischen Oxidation der für die Umwelt schädlichen Bestandteile der in einem nicht dargestellten verfahrenstechnischen Prozeß entstehenden Reaktionsgase. Bei diesem Prozeß

kann es sich beispielsweise um die Herstellung von Phthalsäureanhydrid (PSA) handeln. Das einen solchen PSA-Reaktor verlassende Reaktionsgas hat eine Temperatur von ca. 370° und ist damit für die sofortige Einleitung in einen katalytisch arbeitenden Nachreaktor nicht geeignet.

Vielmehr muß eine Herunterkühlung erfolgen, wozu die auf der Figur dargestellte Vorrichtung mit einem zentralen Kühler 1 versehen ist, der hier als Rohrbündel-Kühler bzw. -Verdampfer ausgebildet ist. Das von dem Reaktor kommende, heiße Reaktionsgas tritt über den Stutzen 2 in die untere Haube 3 des Kühlers 1 ein. Knapp oberhalb des Rohrbodens 4 des Kühlers kann das Reaktionsgas dann radial in das Rohrbündel des Kühlers eintreten. Die Durchströmung des Kühlers 1 erfolgt dann parallel zu den einzelnen Rohren 5 von unten nach oben und damit, wie noch zu zeigen sein wird, im Gleichstrom zu dem innerhalb der Rohre 5 strömenden wärmeaufnehmenden Medium, d.h. dem Kühlmedium. Aus Gründen der Übersicht sind in der Figur von den einzelnen Rohren 5 überwiegend nur die Mittellinien strichpunktiert eingezeichnet.

Bestandteile des Kühlers 1 sind die von dem Kühlmedium durchströmten Rohre 5, der bereits erwähnte untere Rohrboden 4 sowie ein oberer Rohrboden 6. Über dem oberen Rohrboden 6 befindet sich ein großvolumiger Sammler 7, unterhalb des unteren Rohrbodens 4 ein relativ kleinvolumiger Sammler 8, jeweils für das wärmeaufnehmende Medium.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel dient der Kühler zugleich als Verdampfer, d.h. das wärmeaufnehmende Medium wird als Fluid zugeführt, und als Dampf herausgeführt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fluid um Kesselspeisewasser, welches über eine Zuleitung 9, die zunächst durch den oberen Sammler 7 hindurchgeführt ist, zentral innerhalb des Rohrbündels bis in den unteren Sammler 8 geführt ist. Dort erfolgt eine Verteilung des Kesselspeisewassers, bevor dieses in den Rohren 5 des Rohrbündels von unten nach oben aufsteigt, hierbei verdampft und über den oberen Sammler 7 und einen dortigen Dampfaustrittsstutzen 10 die Vorrichtung verläßt. Parallel zu der Zuleitung 9 ist ebenfalls zentral durch das Rohrbündel hindurch eine Abschlämmleitung 11 geführt. Diese ragt mit ihrem unteren Ende 12 bis nahezu an den Boden des unteren Sammlers 8.

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Zur Führung des Reaktionsgases durch den Kühler 1 ist dieser von einem inneren Leitmantel 13 umgeben. Entsprechend der zylindrischen Gestaltung des Kühlers 1 ist auch der innere Leitmantel 13 zylindrisch gestaltet, an seinem unteren Ende ist er druckfest mit der reaktionsgasseitigen Haube 3 verbunden. Auf diese Weise entsteht im Übergang zwischen der Haube 3 und dem zylindrischen inneren Leitmantel 13 eine radiale Öffnung 14, über die das Reaktionsgas allseitig in den Kühler bzw. Verdampfer eintritt. Der Austritt des Reaktionsgases erfolgt ebenfalls im wesentlichen radial, wozu im oberen Bereich des inneren Leitmantels 13 über dessen Umfang gleichmäßig verteilt Gasaustrittsöffnungen 15 vorhanden sind. Beim Ausführungsbeispiel sind diese Gasaustrittsöffnungen 15 rechteckige Öffnungen in dem zylindrischen Leitmantel 13.

An seinem oberen Rand ist der Leitmantel 13 mit einem Ringflansch 16 verbunden. Auf der Oberseite des Ringflansches 16 stützt sich ein entsprechend gestalteter Flansch 17 ab, der mit dem oberen Sammler 7 des Kühlers verschweißt ist. Der Flansch 17 dient auf diese Weise als Abstützelement, mit dem sich der Kühler 1 vertikal gegenüber dem inneren Leitmantel 13 abstützt. Die Verbindung der beiden Flansche 16, 17 ist femer die einzige vertikal wirkende Verbindung zwischen Kühler 1 und dem inneren Leitmantel 13, eine entsprechende vertikale Abstützung im unteren Bereich des Kühlers 1 fehlt vollständig. Auf diese Weise ist der Kühler hängend in dem inneren Leitmantel angeordnet, der Kühler kann sich nach unten zwecks Kompensation der Wärmedehnungen frei ausdehnen. An seinem unteren Ende ist der Kühler 1 lediglich in radialer Richtung stabilisiert, wozu an der Innenwandung der Haube 3 Stege 18 angeschweißt sind, die sich radial nach innen bis nahe an den Rohrboden 4 des Kühlers erstrecken.

Die beschriebene hängende Anordnung des Kühlers führt nicht nur zu einem spannungsfreien thermischen Verhalten, sondern erleichtert auch das Einsetzen in die Vorrichtung sowie Reparatur bzw. Montage an den Rohren des Kühlers. Zur Ausnutzung der gesamten Länge des Rohrbündels befindet sich der Flansch 17 oberhalb der Wärmeaustauschflächen des Kühlers und vorzugsweise auch noch oberhalb des oberen Rohrbodens 6.

Schließlich läßt die Zeichnung in Bezug auf den Kühler erkennen, daß dieser vor dem Dampfaustrittsstutzen 10 mit einem als Drahtgestrick gestalteten Demister 19 versehen ist.

In Höhe des Rohrbündels des Kühlers ist der zylindrische innere Leitmantel 13 konzentrisch von einem vorzugsweise ebenfalls zylindrischen äußeren Leitmantel 20 umgeben. Zwischen innerem Leitmantel 13 und äußerem Leitmantel 20 entsteht auf diese Weise eine Ringkammer 21, die nach oben sowie nach unten hin durch jeweils eine Ringhaube 22 bzw. 23 abgeschlossen ist. Hierbei ist der Innenrand 24 der oberen Ringhaube 22 mit dem inneren Leitmantel 13, und der Außenrand 25 mit dem äußeren Leitmantel 20 durch jeweils eine Schweißnaht fest verbunden. Analog ist bei unteren Ringhaube 23 deren Innenrand 26 mit dem inneren Leitmantel 13 und deren Außenrand 27 mit dem äußeren Leitmantel 20 verschweißt. Reaktionsgas, welches den Rohrbündel-Kühler über die Gasaustrittsöffnungen 15 verläßt, gelangt auf diese Weise unter Umlenkung um insgesamt 180° in die den Kühler konzentrisch umgebende Ringkammer 21. Die Umlenkung der Gasströmung ist in der Zeichnung mit dem Strömungspfeil 28 gekennzeichnet. In der Ringkammer 21 durchströmt das abgekühlte Reaktionsgas einen aus Katalysatoren zusammengesetzten Nachreaktor 29. Die Katalysatoren des Nachreaktors 29 werden dementsprechend vertikal von oben nach unten von dem Reaktionsgas durchströmt. Sie sind in der Ringkammer für Wartungs- oder Reparaturarbeiten sehr gut zugänglich. Unmittelbar, unter dem Nachreaktor 29 befindet sich, ebenfalls in der Ringkammer 21, ein zusätzlicher Wärmetauscher 30. Der Wärmetauscher 30 besteht aus einem spiralförmig gewickelten Rohrbündel mit Anschlüssen 31, 32. In diesem zusätzlichen Wärmetauscher 30 kann z. B. eine Kesselspeisewasser-Vorwärmung infolge der restlichen thermischen Energie des gereinigten Reaktionsgases erfolgen. Das gereinigte Gas verläßt die Vorrichtung schließlich über den Austrittsstutzen 33, welcher an der unteren Ringhaube 23 angeschweißt ist.

Um in die Ringkammer 21 zu gelangen, ist die obere Ringhaube 22 mit einem Zutrittsstutzen 34 versehen. Dieser dient einmal als Mannloch, und hat zum anderen eine Berstscheibe 35 für den Fall einer Explosion des Reaktionsgases. Über den Zutrittsstutzen 34 ist ferner ein besonders einfacher Zugang zu den Katalysatorelementen innerhalb der Ringkammer möglich.

Anstelle des beim Ausführungsbeispiel verwendeten oberen Sammlers 7- fur den entstehenden Dampf kann auch eine separate Dampftrommel zum Einsatz gelangen. Je nach Anwendungsfall wird das Kesselspeisewasser durch die zentral angeordnete Zuleitung 9, oder aber alternativ unmittelbar dem unteren Sammler 8 zugeführt.

Bezugszeichenliste

1 Kühler/Verdampfer

2 Stutzen

3 Haube

4 unterer Rohrboden

5 Rohr

6 oberer Rohrboden

7 oberer Sammler

8 unterer Sammler

9 Zuleitung

10 Dampfaustrittsstutzen

11 Abschlämmleitung

12 unteres Ende der Abschlämmleitung

13 innerer Leitmantel

14 radiale Öffnung

15 Gasaustrittsöffnung

16 Ringflansch 17. Flansch

18 Steg

19 Demister

20 äußerer Leitmantel

21 Ringkammer

22 Ringhaube

23 Ringhaube

24 Innenrand

25 Außenrand

26 Innenrand

27 Außenrand

28 Strömungspfeil

29 Nachreaktor/Katalysator

30 Wärmetauscher

31 Anschluß

32 Anschluß

33 Austrittsstutzen

34 Zutrittsstutzen

35 Berstscheibe

Claims

1. Vorrichtung zur Nachbehandlung von Reaktionsgasen, in der das Reaktionsgas zunächst einen Kühler (1) und anschließend einen katalytisch arbeitenden Nachreaktor (29) durchströmt, wobei das Reaktionsgas den Kühler (1) von unten nach oben und im Gleich- oder Gegenstrom zu dem wärmeaufnehmenden Medium durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (1) in seinem oberen Bereich mit über seinen Umfang verteilten Gasaustrittsöffnungen (15) versehen ist, über die das abgekühlte Reaktionsgas in eine den Kühler (1) konzentrisch umgebende Ringkammer (21) gelangt, in der die Katalysatoren des Nachreaktors (29) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnungen (15) Bestandteil einer 180°-Strömungsumlenkung des Reaktionsgases sind, so daß dieses die Ringkammer (21) mit dem Nachreaktor (29) von oben nach unten durchströmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Querschnitt kreisförmige Kühler (1) in einen zylindrischen inneren Leitmantel (13) eingesetzt ist, der konzentrisch von einem vorzugsweise ebenfalls zylindrischen äußeren Leitmantel (20) umgeben ist, wobei die Ringkammer (21) durch diese beide Leitmäntel (13, 20) begrenzt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gasaustrittsöffnungen (15) des Kühlers in der Wandung des inneren Leitmantels (13) befinden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammer (21) nach oben hin durch eine Ringhaube (22) verschlossen ist, deren Innenrand (24) oberhalb der Gasaustrittsöffnungen (15) mit dem inneren Leitmantel (13), und deren Außenrand (25) mit dem äußeren Leitmantel (20) druckfest verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammer (21) nach unten hin durch eine Ringhaube (23) verschlossen ist, deren Innenrand (26) mit dem inneren Leitmantel (13), und deren Außenrand (27) mit dem äußeren Leitmantel (20) druckfest verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (1) hängend in dem inneren Leitmantel (13) angeordnet ist, wobei seine vertikale Abstützung gegenüber dem Leitmantel (13) durch Abstützelemente (17) erfolgt, die sich oberhalb der Wämeaustauschflächen des Kühlers (1) befinden.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem Nachreaktor (29) in der Ringkammer ein zusätzlicher Wärmetauscher (30) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (1) als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgebildet ist, dessen Rohre (5) das wärmeaufnehmende Medium im Gleichstrom zu dem Reaktionsgas durchströmt, und daß eine Zuleitung (9) für das wämeaufnehmende Medium zentral durch das Rohrbündel hindurch bis zu einem Sammler (8) geführt ist, in den die Eintrittsöffnungen der Rohre (5) münden.