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DE2502274A1 - Verfahren zur waermeregelung von bei hoher temperatur arbeitenden katalytischen wirbelbettreaktoren - Google Patents

Verfahren zur waermeregelung von bei hoher temperatur arbeitenden katalytischen wirbelbettreaktoren

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DE2502274A1
DE2502274A1 DE19752502274 DE2502274A DE2502274A1 DE 2502274 A1 DE2502274 A1 DE 2502274A1 DE 19752502274 DE19752502274 DE 19752502274 DE 2502274 A DE2502274 A DE 2502274A DE 2502274 A1 DE2502274 A1 DE 2502274A1
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reactor
tubular
temperature
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Paolo Bortolini
Vittorio Penzo
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Montedison SpA
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Description

PATENTANWÄLTE
Dfpi.-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMfED-KOWARZIK CMpt-lng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL
281134 β FRANKFURTAM MAIN
TELEFON (Öd» 287()J4 G„ ESCHENHEIMEH STHASaE 38
SK/SK
I. 1956
Montedison S.p.A.
Poro Buonaparte 31 Mailand / Italien
Verfahren zur Wärmeregelung von bei hoher Temperatur arbeitenden katalytischen Wirbelbettreaktoren
Einer der Gründe für die bevorzugte Verwendung von Wirbelbettreaktoren in der Industrie ist bekanntlich die Möglichkeit, eine perfekte Wärmeregulierung innerhalb sehr enger Temperaturbereiche zu erzielen. Diese Eigenschaft beruht auf der außerordentlich hohen Leitfähigkeit des Bettes, die die Erreichung der Isothermizität auch dann erzielt, wenn die Wärmeverringerung aufgrund von WärmeaustauscheiäLementen erfolgt, die in beträchtlichem Abstand voneiander und auch nicht symmetrisch in Bezug auf das Bett angebracht sind.
Das üblicherweise verwendete Wärmeregulierungsverfahren (Pig. 1) besteht in der Einführung von Wasser (1) in eine sich im Bett (3) befindende Schlange (2) unter Wasserdampfbildung U) aufgrund einer teilweisen Verdampfung des Wassers für die Wärmeregulierung. Dieses Verfahren ist anwendbar, wenn die Reakcionstemperatur relativ niedrig ist (z.B. unter 25O0C.) Bei diesen Temperaturen kann man tatsächlich den Wärmeunterschied zwischen
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Bett und Kühlflüssigkeit durch leichtes Abändern des Druckes des gebildeten Wasserdampfs merklich variieren. Bei einer Reaktorbetriebstemperatur zwischen 4OO-5OO°C, wie z.B. im Pail von Olefinammoxidationen, wäre es selbstverständlich für eine merkliche Änderung des Wänneunterschiedes notwendig, den Druck des gebildeten Wasserdampfes beträchtlich zu variieren. So beträgt
z.B. bei einem bei 45O0C. arbeitenden Reaktor und einem gehupt
deten Wasserdampfdruck von 40 kg/cm der entsprechende Wärmeunterschied 200,80C, und zu seiner Verringerung um 10 $ müßte
der Wasserdarapfdruck um 15 kg/cm erhöht werden.
In einem solchen Fall muß die Wärmeregulierung des Reaktors in anderer Weise erfolgen, indem man z.B. entweder die Austauscheroberfläche verändert, d.h. durch Anschließen oder Abtrennen eines Teils des Schlangensystems, oder indem man die Menge der gebildeten Wärme, nämlich die Beschickung der Reaktionsteilnehmer, variiert.
Das erstere Verfahren ist selbstverständlich nicht für eine kontinuierliches automatische Regulierung geeignet, während das letztere nur für eine Regelung in einem begrenzten Bereich (Peinregulierung) verwendet werden kann, da sonst die Reaktorkapazität beeinflußt werden würde.
Pin weiterer Nachteil des Verfahrens mit teilweiser Wasserverdampfung besteht bei Reaktoren, die im oben genannten Temperaturbereich arbeiten, darin, saß der gebildete Wasserdampf gesättigt ist.
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Da in diesem Fallen der hohe Wärmewert die Bildung eines hohen Wasserdampfdruckes zuläßt, scheint es zweckmäßig, dessen Energie durch Expandieren in einer oder mehreren Turbinen von Kompresso- ren oder Pumpen auszunutzen.
Dabei soll der Wasserdampf entsprechend übererhitzt sein, was man durch einen Ofen außerhalb des Reaktors oder durch Rückführung des gesättigten Wasserdampfes zur Übererhitzungssehlage innerhalb des Reaktors bewirken kann.
Im erstgenannten Fall sind Hilfevorrichtungen und der Verbrauch von Brennstoff erforderlich, im letzteren Fall müssen Kons tr ukti on sprobleme gelöst werden, um zusätzliche Austauscheroberflächen von beträchtlichen Dimensionen im Reaktor unterzubringen.
Eine weitere Forderung an das Kühlsystem eines bei hohen Temperaturen und in Anwesenheit von stark exothermen Reaktionen arbeitenden Wirbelbettes ist die Möglichkeit., im Bett eine sehr große Austauscheroberfläche unterzubringen und gleichzeitig den notwendigen Raum übrigzulassen für eine leichte Zugänglichkeit des Systems im Fall von Wartung und Reparaturen.
Haben die fraglichen Reaktoren große Dimensionen, dann sollten die sich im Bett befindlichen Kühlelemente eine geometrische Form haben und symmetrisch so angebracht sein, daß die Verwirbelung verbessert wird und. die sich in Verbindung mit dem
-de Maßstabübergang sich ergebene/Probleme unbeachtlich werden (vgl. Chem. Eng. Process, Bd. 58, Nr. 3, Seite 44 - 47)
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■ - 4 -
Das im folgenden beschriebene Verfahren zur Wärmeregulierung eines in großtechnischem Maßstab arbeitenden Wirbelbettreaktors entspricht allen oben genannten Forderungen, insbesondere
a) es ermöglicht eine perfekte, vollständig automatische Wärmeregulierung mit einem Variabilitätsbereich bis zu + 10C. auch für bei hohen Temperaturen arbeitende Reaktoren;
b) eß erlaubt die direkte Bildung von ausreichend überhitztem, Wasserdampf hohen Druckes
c) es schafft im Inneren des Bettes das Gehäuse einer sehr großen Austauscheroberfläche mit leichtem Zugang zum Inneren des Systems und ohne besondere mechanische Komplizierung
d) es erlaubt eine vollständig symmetrische Anbringung der Kühlelemente.
Eine bestimmte Anzahl von Rohren in gleichem Abstand (7) (Viasserverteiler); ausgehend von einem ringförmigen Rohr (5) außerhalb des Reaktors (6) betritt den Reaktor alternierend von entgegengesetzten Seiten und läuft durch dessen gesamte Breite (Fig. 2a).
Für sehr große Reaktoren (Fig. 2b) können die Wasserverteiler die Reaktormittellinie erreichen, und swar symmetrisch von den beiden Reaktorseiten bezüglich eines Durchmessers. Der Abstand "a" zwischen den inneren Rohren soll mindestens 500 mm betragen, um den Zugang zum Reaktorinneren zuzulassen.
Vom Wasserverteiler (Fig. 3) beginnen in regelmäßigen Abständen kleinere Rohre (8) aufzusteigen und sich dann, entsprechend einem die thermische Expansion erlaubenden Verlauf abwärts zu biegen.
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Diese Rohre laufen dann durch eine zweite Sammelleitung9) (Wasser-
-tung
dampfsammellei/ der großer als der erste ist, und steigen abwärts innerhalb eines zweiten Rohres (10), bis sie in einem bestimmten Abstand vom verschlossenen Ende dieses Rohres aufhören.
Die obere Seite des äußeren Rohres ist mit dem WasserdampfSammelleitung verbunden. Wasser wird in Fig. 4 durch eine Pumpe (11) beim gewünschten Druck eingeführt und in einer proportionierten, durch den Temperaturregler (12) des katalytischen Bettes geregelten Menge zum ringförmigen Rohr (5) geführt. Von dort fließt es zu den Wasserverteiler (7) und dann zu den einzelnen Kühlelementen (10). Um eine einheitliche Wasserverteilung in diesen Elementen sicherzustellen wird am Verteilerausgang eine Düse angebracht (Pig. 5), die einen genügenden Druckabfall bewirkt; die Dimensionen "b" dieser Düse können in Abhängigkeit von der Reaktorgröße und der eingeführten Wassermenge variieren und liegen gewöhnlich zwischen 1-3 mm Durchmesser. Wasser fließt durch das innere Rohr (8) des Kühlelementes, wo es vorerhitzt wird und
zu verdampfen beginnt, wobei die Verdampfung im unteren Teil des äußeren Rohres beendet wird. Im oberen Teil des Rohres wird der gebildete Wasserdampf übererhitzt und fließt in den
-leitung
Wasserdampfsammel/ durch welchen er den Reaktor verläßt; dann wird es durch ein zweites ringförmiges Rohr (13) gesammelt und fließt zu den Verbrauchsanlagen.
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Um das Übererhitzen des Wasserdampfes richtig einzustellen, kann man das Wasser entsprechend vorerhitzen, bevor es in den Reaktor fließt, und zwar mittels eines Wasserdampfaustauscäiers (14). Das äußere Rohr des Kühlelementes kann zur Erhöhung des Wärmeaustausches gerippt"' sein. In diesem Pail müssen die Rippen (15) senkrecht sein, um die Bildung toter Punkte im Bett zu verhindern, Die Zahl der Rippen kann von mindestens 2 "bis höchstens 10 variieren. Geeignete Dimensionen sind: Höhe h = 0,3-0,5 d; Dicke s = 0,07-0,12 d; dabei ist "d" der äußere Durchmesser des Kühlelementes (vgl. Fig. 6).
Das folgende Beispiel zeigt eine praktische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens.
Beispi el
In einer kontinuierlichen Synthese von Acrylnitril durch Propylenammoxidation wurden Propylen, Ammoniak und Luft zu einem kätalytischen Wirbelbettreaktor eingeführt; die Reaktionstemperatur betrug 45O0C, der Druck etwa 2 kg/cm abs. Die Wärmeregulierung der Reaktion erfolgte durch ein Kühlsystem der oben beschriebenen Art, das in das katalytische Bett eingetaucht war.
Wasser zur Wärmeregulierung in einer Menge zwischen 3-6 kg/kg eingeführtem Propylen wurde in einem Wärmeaustauscher, der Wasserdampf bei 18 kg/cm abs. als Heizmediun verwendete, unter Druck -bis zu-175-1850C. vo-rerhitzt-und-dann zum Reaktorwärmeaustauscher der oben beschriebenen Art geführt, der mit ringförmigen, in das katalytische Wirbelbett eingetauchten Elementen versehen war. Das Wasser wurde bei einem auf 34-38 kg/cm abs. gehaltenen
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Druck verdampft, und der Wasserdampf wurde auf 320-350 C. übererhitzt. Dieser übererhitzte Wasserdampf wurde in Turbinen verwendet, die mit Luftkompressoren und Zentrifugal pumpen verbunden waren.
Die Reaktions-temperatur wurde durch Einstellung des Wasserflusses mittels eines Temperaturreglers geregelt, dessen Fühler in das katalytische Bett eingetaucht war. So wurde die Reaktionstemperatur im Wirbelbett mit einer Differenz von + 1°C. auf einem vorherbestimmten Wert von 450 C. gehalten.
509830/07AS

Claims (5)

Patentansprüche
1.- Verfahren zur Regelung der Temperatur in einem Reaktor für exotherme Reaktionen bei hoher Temperatur in Anwesenheit eines katalysatoren Wirbelbettes, bei dem eine geregelte und einstellbare Wassermenge in eine Kühlvorrichtung geführt wird, die aus rohrförmigen Elementen innerhalb des Wirbelbettes besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser in solcher Menge eingeführt wird, daß es gründlich verdampft, der gebildete Wasserdampf unter weiterer Wärmeabsorption bei hohen Temperaturen aus dem Wirbelbett übererhie'tzt wird und die Regelung des Wärmeaustausches und damit der Temperatur des Wirbelbettes im wesentlichen erreicht wird, indem man die eingeführte Wassermenge reguliert.
2.- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Kühlvorrichtung verwendet, die im wesentlichen aus rohrförmigen, vertikal angebrachten Wärnieelementen besteht, welche ein inneres, wenig oberhalb des geschlossenen Endes des rohrförmigen Wärmeaustauscherlementes endendes koaxiales Wassereinführungrohr enthalten, wobei die inneren koaxialen Rohre in paralleler Weise mit horizontalen Verteilern zur Wassereinführung verbunden sind und die rohrförmigen Wärmeaustauschelemente
-leitung an ihren oberen Enden mit. einer horizontalen Sammel/ für ücererhitzten Wasserdampf verbunden sind.
50983Ü/G74b
3.- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren koaxialen Wassereinführungsrohre mit dem Wasserverteiler durch eine Düse von solchen Dimensionen verbunden sind, daß ein ausreichender Druckabfall zwecks leichter Regulierung des Wasserflusses und einer einheitlichen Verteilung in allen Rohren bewirkt wird.
4,- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserverteiler gemäß Fig. 2a bzw. 2b angebracht sind.
5.- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Form und Anbringung der inneren koaxialen Rohre gemäß Fig. 3 vorliegt.
Der Patentanwalt:
509830/0745
DE2502274A 1974-01-23 1975-01-21 Fluidbettreaktor Expired DE2502274C2 (de)

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DE2502274A1 true DE2502274A1 (de) 1975-07-24
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BR (1) BR7500378A (de)
CA (1) CA1076323A (de)
DE (1) DE2502274C2 (de)
ES (1) ES433989A1 (de)
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