DE2849664C2 - Vorrichtung zum Beschicken einer Vielzahl von Rohren in Rohrreaktoren mit körnigen Feststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschikken einer Vielzahl von Rohren in Rohrreaktoren mit körnigen Feststoffen.

Die selektive Oxidation von Kohlenwasserstoffen an Festbett-Katalysatorschüttungen ist ein häufig angewendetes Verfahren. Reaktionen, wie z. B. die Herstellung von Maleinsäureanhydrid aus Butenen oder Butanen, von Phthalsäureanhydrid aus o-Xylol, — von Äthybnoxid aus Äthylen und von Acrylsäure aus Propylyi verlaufen stark exotherm. Für die Ausführung dieser Verfahren in großtechnischem Maßstab werden Rohrbündelreaktoren mit bis zu 40 000 einzelnen Rohren eingesetzt. Die entstehende Wärme wird über einen Kühlmittelkreislauf abgeführt der die Rohre außen umspült.

Seit Jahren sind für die zeitlich aufwendige Beschikkung derartiger großtechnischer Reaktoren umfangreiche Untersuchungen im Gange. Das manuelle Befüllen erfordert einen hohen Zeitaufwand, da die einzelnen Rohre bezüglich der Gesamtmenge und Schüttdichte des Katalysators reproduzierbar gleichmäßig gefüllt sein müssen. Die bisherigen Bestrebungen, diesen Füllvorgang weitestgehend mechanisch ablaufen zu lassen, lieferten nicht die erwarteten Ergebnisse. Katalysatorschüttungen bzw. Reaktionsrohrfüllungen mit über die axialen Reaktorabmessungen konstantem Aktivitätsverlauf werden im allgemeinen wie folgt erzeugt:

Die Katalysatormenge pro Rohr wird einzeln durch Wägung portioniert und mit Hilfe eines Trichters eingefüllt. Durch langsames und vorsichtiges Einschütten des Katalysators kann eine Brückenbildung im Trichter und im Rohr weitgehend vermieden werden. Der Zeitbedarf zum Füllen eines Rohres beträgt nach den Erfahrungen an einer Verfuchsanlage ca. 120 see, wenn drei Mann je 40 see tätig sind. Geschwindigkeitsbestimmend ist hierbei das Versetzen des Trichters und das Ausschütten des rieselfähigen Katalysators. Gleichzeitig erfolgt das Abwiegen und Portionieren sowie der Transport des Katalysators, das Zureichen und das Abdecken gefüllter Rohre. Bei sorgfältiger Arbeitsweise ist eine Korrektur der ineßbareti Druckverluste der gefüllten Rohre im allgemeinen nur selten notwenig. — Für die Füllung eines Reaktors mit z. B. 22 000 Rohren resultieren nach dieser Zeitabschätzung 735 Mannstunden. Da die räumlichen Verhältnisse über dem Rohrboden des Reaktors keinen hohen Personalaufwand erlauben, kann die Füllzeit eines Reaktors nicht beliebig verkürzt werden.

Es ist andererseits aus DE-AS 20 56 614 (O.Z. 27 178) ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure durch Oxidation von Propylen in der Gasphase

ίο bekannt, bei dem man in beiden Stufen die Aktivität der Katalysatoren derart verändert, daß sie in Strömungsrichtung auf 100% ansteigt und die in der zweiten Reaktionsstufe erhaltenen, von kondensierbaren Gasen weitgehend befreiten Reaktionsabgase zum Teil in die erste Stufe zurückführt. Hierbei wird die Verdünnung so durchgeführt, daß die Aktivität vom Eingang der Reaktionsrohre bis zum Ausgang stetig oder schrittweise auf 100% ansteigt. Zweckmäßig geht man jedoch so vor, daß 100% Aktivität schon vordem Ende des Reaktionsrohres erreicht sind. — Ganz allgemein kann man die Herstellung von KataJysatorschüttungen derartig variabler Aktivität am einfachsten durch Mischen eines gleichmäßig wirksamen, homogenen Katalysators entweder mit einem anderen Kontaktstoff von anderer Aktivität oder mit einem inerten Material von vergleichbarer Korngröße durchführen. Aus Laboruntersuchungen sind die Vorteile solcher variabler Katalysatorschüttungen bekannt· sie konnten jedoch bisher großtechnisch nicht gerutzt werden. Die obengenannten Schwierigkeiten, die schon bei der Füllung mit einem gleichmäßig wirksamen, homogenen Katalysator auftraten, machten es bisher unmöglich, eine Reaktorbeschickung mit kontinuierlich veränderlichem Aktivitätsprofil vorzunehmen. — Gelegentlich wurden in der Praxis schon diskontinuierlich verdünnte Katalysatorschüttungen eingesetzt. Dazu wurden 3 bis 15 Teilchargen mit jeweils unterschiedlichen Anteilen an Inertmaterial übereinandergeschichtet. Die ausgewogenen Teilchargen wurden dann nach dem Mischen über einen Trichter in die Reaktorrohre eingefüllt. Diese Füllmethode hat jedoch wesentliche Nachteile:

a) Die Befüllung eines großtechnischen Reaktors ist außerordentlich zeitaufwendig und daher meistens undurchführbar.

b) Die Druckverluste der einzelnen Rohre weisen untereinander zu große Unterschiede auf.

c) Das Mischen des Katalysators mit dem Inertmaterial bedeutet einen zusätzlichen Arbeitsgang.

d) Beim Mischen des Katalysators mit dem Inertmaterial entsteht Abrieb, der seinerseits einen unerwünscht hohen Druckverlust beim Füllen verursacht,
e) Das entstehende Aktivitätsprofil ist nur quasi kontinuierlich.

Des weiteren ist in dem Bericht »Kontinuierliche gravimetrische Dosierung« in der Zeitschrift »Chemieanlagen und Verfahren«, Oktober 1977, Seiten 59 bis 62, aufgezeigt, daß mit den beschriebenen Differeniialdosierwaagen kontinuierlich gravimetrische Dosiergeräte entwickelt wurden, mittels derer Schüttgüter im Leistungsbereich von 0,2 kg/h bis 16 t/h dosiert werden können.

ω Jedoch konnten in der Praxis diese Geräte zur raschen Dosierung von Katalysatoren in eine Vielzahl von Reaktorrohren die gestellte Aufgabe nicht lösen.
Der Erfindung liegt demzufolge clic Aufgabe zugrun-

de, eine Vorrichtung zum Beschicken einer Vielzahl von Rohren in Rohrreaktoren mit körnigen Feststoffen zu entwickeln.

Erfindungsgeinäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen mit Abstand über dem oberen Rohrboden des Reaktors montierten Zwischenbodea auf dem zentral eine trichterähnliche Leiteinrichtung mk mindestens zwei Ausläufen und einer diese Ausläufe öffnenden bzw. sperrenden, über ein Programm gesteuerten Weiche befestigt ist, wöbe; mittels an die Ausläufe angeschlossener flexible» Schläuche die öffnungen der Reaktorrohre nacheinander mit der Leiteinrichtung verbindbar sind, und daß oberhalb der zentral angeordneten Leiteinrichtung zwei oder mehrere aus zugehörigen Vorratsbehältern kontinuierlich beschickte Meßeinrichtungen fixiert sind.

Die Erfindung ermöglicht es, auf wirtschaftliche Weise durch Mischen von unterschiedlich wirksamen Stoffen, insbesondere von Katalysatoren A und 8, in einem zu füllenden Rohr oder in einer bestimmten Rohrgruppe des Bündels Schüttungen zu erzeugen, deren Aktivität sich aus dem Mischungsverhältnis der Stoffe ergibt Nach diesem elementaren Zusammenhang ist es das wesentlichste Merkmal der Erfindung, zwei Massenströme A und B und gegebenenfalls weitere Massenströme c... η vor ihrem Zusammenführen und Mischen mit meß- und regeltechnischen Mitteln zeitlich rasch zu verändern. — Die einzelnen Massenströme a, b... π sind mit den entsprechenden Volumenströmen über die jeweiligen Schüttdichten verknüpft, die in der Praxis näheningsweise als Konstante angenommen werden köt.-nen. Mit Bezug auf ein in vertikaler Lage angeordnetes, zu füllendes Reaktionsrohr läßt sich folgendes mathematisch nachweisen:

Definiert man die örtliche Aktivitätsfunktion a (x)\n beliebiger axialer Höhe des Reakiionsrohres als Verhältnis von Katalysator-Volumenanteil A zu den Volumenanteilen von Katalysator A + Katalysator B und gibt diese als Ortsfunktion mathematisch vor, so besteht zwischen der Aktivitätsfunktion a (χ) und den zeitlich zuzudosierenden Massenströmen m* und ma (bzw. den entsprechenden Volumenströmen va, Vb) ein eindeutiger mathematischer Zusammenhang. Die Verknüpfungsgleichungen sind lösbare partielle Differentialgleichungen mit den Variablen χ und t. Das bedeutet, daß die Massenströme m_A (t) und m_B (t) als Zeitfunktionen ermittelt werden können, wenn a (χ) und die Ortsgeometrie vorgegeben ist. — Dieser eindeutige mathematische Zusammenhang ist auch dann gegeben, wenn mehr als zwei Komponenten A und B zudosiert werden. Die Aktivitätsfunktion a (χ) kann dabei als beliebige Ortsfunktion vorgegeben werden.

Die Umsetzung dieser theoretischen Überlegungen in eine technisch anwendbare Anordnung zur mechanischen Befüllung der Reaktionsrohre verlangt eine hochgenaue Meß- bzw. Dosiereinrichtung zur Erzeugung der zeitlich veränderbaren Massenströme. Außerdem muß die Füllapparatur mit ihrer Leit- und Verteilvorrichtung wiederum so ausgeführt sein, daß eine Vielzahl von Rohren in möglichst kurzer Zeit und mit technisch vertretbarem Aufwand gefüllt werden kann. — Als steuerbare Meß- bzw. Dosiervorrichtungen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen im Prinzip sowohl volumetrisch als auch gravimetrisch arbeitende Systeme in Betracht. Bei den zur Erfindung hinführenden Entwicklungsarbeiten haben sich jedoch rasch steuerbare gravimetrisch Meßvorrichtungen als überlegen erwiesen.

In der Figur ist eine Anordnung nach der Erfindung zur Ausführung des Verfahrens schematisch wiedergegeben und wird nachfolgend näher beschrieben.

Aus Gründen der Vereinfachung ist die dargestellte Anordnung lediglich auf das zeitlich veränderte Dosieren und Mischen zweier Stoffströme a und b abgestellt Es können jedoch auch mehr als zwei Vorratsbehälter und eine entsprechende Anzah! von zeitüch rasch veränderbaren Meßeinrichtungen M\, M^ zu einer Funktionseinheit zusammengefügt werden, die dann z. B. drei oder vier Stoffströme in ein Misch- und Einfüllsystem einleiten.

Aus den Vorratsbehältern 1 und 2 werden die in die Reaktionsrohre 3 gemischt einzubringenden rieselfähigen, vorzugsweise körnigen Feststoffe A und B jeweils in eiüe unter den Bunkern befindliche Meßeinrichtung M\ und M2 eingebracht. Jede Meßeinrichtung enthält zur Aufrechterhaltung eines möglichst konstanten Mengenstroms a und b bis zum Transport auf die zugehörigen Wägeeinrichtungen 4 und 5 je eine an sich bekannte Vibrationsrinne 6 und 7. Die Vibrationsrinnen 6 und 7 garantieren im Zusammenwirken mit dem Transportband der Wägeeinrichiungen 4 und 5 eine schonende Behandlung des in die Reaktionsrohre einzubringenden Schüttgutes, vorzugsweise von Katalysatoren, mit wenig Abrieb. Als Wägeeinrichtungen werden vorzugsweise Dosierbandwaagen eingesetzt, wie sie mit den generellen baulichen Merkmalen etwa in der DE-PS 12 66 526 beschrieben sind. Für die vorliegenden Einsatzaufgaben ist es lediglich nötig, solche Waagen im Sinne der zeitabhängigen Programmsteuerung für einen rasch veränderbaren Sollwert einzurichten, insbesondere ihre Einschwingzeiten zu verkürzen.

Der gewünschte Massenfluß der Mengenströme a und b wird den Wägeeinrichtungen 4 und 5 als Soliwert vorgegeben. Die Festlegung der gesamten Füllmenge für ein einzelnes Reaktionsrohr 3 wird nach einjustierter Förderleistung mit Hilfe eines Zeitgebers an der Programmsteuerung Pr voreingestellt. Das elektrische Ausgangssignal des Zeitgebers steuert dann eine Weiche 8 im oberen Bereich einer trichterähnlichen Leiteinrichtung 9 derart, daß entweder die Ausläufe 9s oder 9b mit den von den Wägeeinrichtungen 4 und 5 abgeworfenen Mengenströmen a und b verbunden sind. Die Weiche 8 ist bei lediglich zwei Ausläufen 9a, 9b zweckmäßig als Klappe ausgebildet, deren obere Kante sich an einem z. B. rechteckig ausgeführten Einlaufstutzen der trichterähnlichen Leiteinrichtung 9 dicht anlegt. Das Umschalten der Weiche 8 erfolgt in dem vorgewählten Zeitrhythmus. An den Ausläufen 9a, 96 sind flexible, zweckmäßig durchsichtige Schläuche 10 befestigt, die auf die einzelnen Reaktorrohre 3 aufgesetzt werden. Die Länge der Schläuche 10 ist so zu bemessen, daß ein möglichst großes Rohrbündel des Reaktors befüllt werden kann. Der maximale Wirkungsradius dieser Anordnung ist durch das Fließverhalten des Katalysators innerhalb der Schläuche 10 sowie durch den vertikalen Abstand y des Zwischenbodens 12 vom Rohrboden 13 gegeben und zweckmäßig durch Versuche zu ermitteln. Im übrigen wirken die trichterähnliche Leiteinrichtung 9 und die Schläuche 10 wie eine statische Mischstrecke. Zur besseren Mischung ist es möglich, in die Schläuche 10 Einbauelemente einzufügen, wie sie an statischen Mischern üblich sind. Die gesamte, aus zwei oder mehreren Vorratsbehältern 1,2 und einer entsprechenden Anzahl von Meßeinrichtungen M\, M₂ bestehende Füllvorrichtung wird zweckmäßig auf eine Bodenplatte 11 gesetzt, die zentral eine öffnung besii7t. in rW rlpr nhp™ Pinir,,.f_

stutzen der trichterähniichen Leiteinrichtung 9 mit ihren unteren Ausläufen eingesetzt ist. Die gesamte Vorrichtung einschließlich der trichterähnlichen Leiteinrichtung 9 kann dann nochmals auf den Zwischenboden 12 gesetzt werden, dessen Abstand y von den Einlauföffnungen der Reaktionsrohr am oberen Rohrboden 13 auch von den Außenabmessungen des Reaktors bestimmt wird.

Die in diesem Ausfuhrungsbeispiel schematisch abgebildete Vorrichtung zur Dosierung von zwei Komponenten kann ohne weiteres auch für die Dosierung einer größeren Anzahl von Komponenten eingesetzt werden. In diesem Fall werden die Vorratsbehälter 1,2... χ und die darunter befindlichen Meßeinrichtungen M\, Mi... My z. B. in radialer Ausrichtung über der Bodenplatte 11 angeordnet, und die '.richterähnliche Leiteinrichtung 9 erhält als Weiche 8 ein rotierendes Element, wie es z. B. von Schleusenvorrichtungen her bekannt ist. Es kann ferner die WeiiSie 8 mit mehr als zwei Ausläufen in Verbindung gebracht werden, zwischen denen in Abhängigkeit vom vorgegebenen Programm cyclisch umgeschaltet wird. Die Einrichtung, wie oben beschrieben, bietet weiterhin den Vorteil, daß man an den flexiblen Schläuchen 10. an der Weiche 8 oder an den Wägeeinrichtungen 4 und 5 Absaugeinrichtungen für einen Abrieb des transportierten Feststoffs anbringen kann. Insbesondere für Katalysatoren ist eine Staubabsaugung wesentlich, um zusätzlichen Druckverlust in den Reaktorrohren 3 zu unterbinden. Es ist ferner möglich, die Böden der Vibrationsrinnen 6 und 7 mit Schlitzen zu versehen, so daß schon vor dem Aufbringen der Mengenströme a und b auf Transportbänder der Meßeinrichtungen M₁, M₂ eine Aussiebung des Staubes erfolgt. Im allgemeinen wird es möglich sein, daß Umsetzen der Schläuche 10 genügend rasch manuell vorzunehmen. Eine Mechanisierung des Umsetzens der Schläuche 10 ist jedoch ebenfalls möglich, hierfür bietet sich gegebenenfalls eine nach Koordinaten gesteuerte Umsetzeinrichtung an, die außerhalb des Umfangs der hier beschriebenen Erfindung liegi.

Zur Beschickung der Rohre eines Röhrenreaktors mit zwei oder mehr Arten von körnigen Feststoffen von unterschiedlicher Wirkung, Zusammensetzung und/ oder Beschaffenheit als programmgesteuerte Mischung werden die zeitlich veränderlichen Stoffströme a.b.... η unter Berücksichtigung der jeweiligen Schüttdichten der einzelnen Stoffe den Reglern 24 und 15 der Meßeinrichtungen Mi. M2 als Sollwertfunkiion vorgegeben. Nach dem Befüllen eines einzelnen Rohres wird mit Hilfe der Weiche 8 auf den jeweils anderen Auslauf 9a bzw. 96 umgeschaltet, und sofort beginnt der Füllvoreang für das nächste Rohr. Die Steuerung rier Weiche 8 erfolgt ebenfalls selbsttätig in Abhängigkeit von dem vorgewählten Programm. Sofern das Umsetzen der Schläuche 10 manuell erfolgt, ist die Steuerung der Weiehe 8 z. B. mit einem akustischen oder optischen Signal verbunden, welches dem Bedienungspersonal das notwendige Umsetzen des jeweiligen Schlauchs 10 anzeigt. Auf diese Weise stellt sich während des Befüllens eines Reaktors ein quasi kontinuierlicher Betriebsablauf des so Füllvorganges ein.

Der Zeitaufwand zur Befüllung eines Röhrenreaktors mit zwei oder mehr Arten von körnigen Feststoffen, vorzugsweise mit Katalysatoren, ist nach der Erfindung nur geringfügig höher als bei der Füllung des gleichen Reaktors mit nur einem homogenen Feststoff von gleichen Fließ- bzw. Rieseleigenschaften. Als besondere Anwendung der Erfindung kommt die Befü'.lung eines Röhrenreaktors mit vielen tausend Einzelrohren in Betracht, bei der über die Rohrlänge hinweg oder für bestimmte Rohrgruppen innerhalb des gesamten Rohrbündels bestimmte Temperaturprofile gefahren werden sollen. In einem solchen Fall ist z. B. der aus dem Vorratsbehälter 2 zu entnehmende Mengenstrom b ein Verdünnungsmittel für den aus dem Vorratsbehälter 1 zu entnehmenden Mengenstrom a.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Beschicken einer Vielzahl von Rohren in Rohrreaktoren mit körnigen Feststoffen, gekennzeichnet durch einen mit Abstand über dem oberen Rohrboden (13) des Reaktors montierten Zwischenboden (12), auf dem zentral eine trichterähnliche Leiteinrichtung (9) mit mindestens zwei Ausläufen (9a, 9b) und einer diese Ausläufe (9a, 9b) öffnenden bzw. sperrenden, über ein Programm gesteuerten Weiche (8) befestigt ist, wobei mittels an die Ausläufe (9a, 9b) angeschlossener flexibler Schläuche (10) die Öffnungen der Reaktorrohre (3) nacheinander mit der Leiteinrichtung (9) verbindbar sind, und daß oberhalb der zentral angeordneten Leiteinrichtung (9) zwei oder mehrere, aus zugehörigen Vorratsbehältern (1,2) kontinuierlich beschickte Meßeinrichtungen (M₁, M₂) fixiert sind.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen (M₁, M₂) mit nach einem vorgegebenen Programm gesteuerten Reglern (14/15) verbunden sind.