DE3000714A1 - Vorrichtung zum gleichmaessigen verteilen eines heiz- oder kuehlmittels in einem katalytischen reaktionsraum - Google Patents
Vorrichtung zum gleichmaessigen verteilen eines heiz- oder kuehlmittels in einem katalytischen reaktionsraumInfo
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Description
HÖGER - STELLRECHT:-:GKiESSBACH:- HAECKER BOEHME
A 43 946 b Anmelder: UOP Inc. 3000714
t - 177 Ten UOP Plaza
8. Januar 1980 Algoncmin & Mt. Prospect Roads
Des Piaines, Illinois, USA
Vorrichtung zum gleichmäßigen Verteilen eines Heiz- oder Kühlmittels in einem
katalytischen Reaktionsraum
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum gleichmäßigen Verteilen eines Fließmediums in einem Reaktionsraum, insbesondere
eines Heiz- oder Kühlmittels in einem katalytischen T.eaktionsraum mit träger substanzgebundenem Katalysator, mit
einer Anzahl in einer gemeinsamen Ebene im Abstand voneinander angeordneter, mit Öffnungen versehener Verteilerleitungen
für das Fließmedium, welche unmittelbar mit einer Zuführleitung in Verbindung stehen.
Eine solche Vorrichtung ist besonders für die Verwendung in der Erdölindustrie und der Petrochemie geeignet und kann bei
endothermen Vorgängen dazu dienen, ein Heizmittel, sov;ie bei exothermen Vorgängen ein Kühlmittel über einen Katalysator
zu verteilen, der üblicherweise an einer Trägersubstanz gebunden
ist. Abhängig von dem jeweiligen Vorgang kann das Fließnedium in der dampfförmigen Phase, in der flüssigen
Phase oder in einer Mischphase aus Dampf und Flüssigkeit in den Reaktionsraum eingeführt werden. In vielen Fällen
kann als temperatursteuerndes Fließmedium das ohnehin für den chemischen Vorgang erforderliche ZusatzmitteJ nach entsprechender
Erwärmung bzw. Kühlung mit herangezogen werden.
Der Fall der Mischphase tritt dabei vor allem bei exothermen
Vorgängen auf, beispielsweise bei der Umwandlung von
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Kohlenwasserstoffen durch Crack- und Hydrierverfahren,durch
Entziehen von Schwefel und Stickstoff und durch andere Behandlungen
mit Wasserstoff, bei welchen Fasserstoff verbraucht
und somit vom Prinzip her Prozeßwcxne erzeuat wird. Ausgangsstoffe
sind dabei häufig Kohlenwasser stoffe mit einem Siedepunkt
oberhalb desjenigen von Benzin (2000C), nämlich Petroleum,
leichte und schwere Gasöle sowie asphaltenhaltiere Dunkelcle
mit einem Siedepunkt oberhalb von etwa 57O°C.
Ausschlaggebend für den Erfolg eines katalytischen Verfahrens
ist, dass das Rec<genzmittel ganz gleichmäßig über den festen Katalysator verteilt wird, vor allem an der Stelle, an welcher
ein Heiz- oder Kühlmittel zugeführt wird. Von gleicher Wichtigkeit
ist ein ständiger Kontakt des Reaaenzmittels mit dem Zusatzmittel,
beispielsweise dem Wasserstoff. Schließlich kann die Temperatursteuerung des Vorganges durch das Heiz- oder
Kühlmittel nur d.'nn optimal sein, wenn dieses Mittel gleichmäßig
in dem Reagenzmittel verteilt wird, damit ein gleichförmiger Wärmeübergang stattfindet.
Aus den US-PSen 26 32 692 und 32 08 833 sind nun zwei Vorrichtungen
der eingangs genannten Art bekannt, bei welchen als Verteilerleitungen für das Fließmedium zwei bzw. mehrere
konzentrische ,perforierte und in einer horizontalen Ebene angeordnete ringförmige Rohre dienen. Bei diesen bekannten
Vorrichtungen tritt nun im Betrieb die Schwierigkeit auf, dass sich die ringförmigen Rohre bei der herrschenden hohen
Temperatur etwas verziehen, wodurch das Heiz- oder Kühlmittel über den Umfang der Ringrohre mit unterschiedlichem Druck
austritt, so dass der Wärmeübergang sehr ungleichmäßig wird und der chemische Vorgang über den Querschnitt des Peaktionsraumes
mit unterschiedlicher Geschwindigkeit abläuft. Gleichzeitig schwankt mit dem örtlich unterschiedlichen Druck auch
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die jeweils abgegebene Fließmediummenge, so dass sich die Gleichmäßigkeit des Wärmeüberaanges noch weiter verschlechtert
und auch die Mischung des zugeführten Fließmediums mit dem Reagenzmittel sehr ungleichmäßig wird.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufcrabe zugrunde, eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art zum gleichmäßiaen Verteilen
eines Fließmediums zu schaffen, welches sich auch bei stärkster Beanspruchung nicht verzieht oder bei welcher etwaige
Dimensionsveränderungen ohne Einfluß auf die Verteilung '~?s Fließmediums bleiben.
Die Aufgabe wird, bei einer Vorrichtung dieser Gattung erfindungsgemäß
dadurch gelöst, dass jede Verteilerleitung im Abstand von einer gleichachsigen, mit Öffnungen versehenen äusseren
Verteilerleitung umgeben ist.
Infolge des äusseren Rohres mit dem grösseren Durchmesser ist. auch unter härtesten Umweltbedingungen ein Temperatureinfluß
auf die Güte der Verteilung des Fließmediums völlig zu vernachlässigen.
Die erfinderischen Maßnahmen haben den weiteren Vorteil, dass
der angestrebte Erfolg mit nur geringem zusätzlichen Aufwand erreicht wird. Pie führen nicht nur zu einer sehr gleichmäßigen
Verteilung des Fließmediums,sondern auch zu einer besonders
intensiven Vermischung mit dem Reagenzmitte.1 . was vor allem dann wichtig ist, wenn das Fließmedium gleichzeitig
als Zusatzmittel für die Reaktion dient.
Die Vorrichtung nach der Erfindung kann leicht an die verschiedenen
Aggregatzustände des Fließmediums angepaßt werden und läßt sich somit gleichermaßen für dampfförmige,
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flüssige oder gemischte Phasen anwenden. Sie kann für die Zufuhr eines Heiz- oder Kühlmittels an beliebige Teile des
Reaktionsraumes, aber mit dem gleichen Vorteil auch für
die Einführung des Reagenzmittels sowie auch des Zusatzmittels in den in Strömungsrichtung vorderen Teil des Reaktionsraumes verwendet werden.
Die Verteilerleitungen können wie bei den bekannten Vorrichtungen in Form von ringförmigen Rohren vorgesehen sein, sie
können aber auch als getrennte, an beiden Seiten geschlossene ,langgestreckte Leitungsstücke ausgebildet sein. In diesem
Fall ist es zweckmäßig, sie als parallele Sehnen in einem Querschnitt des Reaktionsraumes anzuordnen.
Ein thermisches Verziehen der Vorrichtung gemäß der Erfindung sowie eine etwaige ungleichmäßige Verteilung läßt
sich nach einer vorteilhaften Ausgestaltung noch dadurch weiter verringern, dass zwischen den inneren und den äusseren
Verteilerleitungen eine Anzahl ringförmiger Scheiben im Abstand voneinander und senkrecht zur Längsachse der
Verteilerleitungen angeordnet sind, deren Innendurchmesser dem Aussendurchmesser der inneren Verteilerleitungen
und der Aussendurchmesser dem Innendurchmesser der äusseren Verteilerleitungen im wesentlichen entsprechen.
Die innige Vermischung des Fließmediums mit dem Reagenzmittel läßt sich gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung
noch dadurch weiter verbessern, dass die öffnungen in den inneren Verteilerleitungen so gegen die öffnungen in
den äusseren Verteilerleitungen versetzt sind, dass sie gegen nicht mit Öffnungen versehene Wandteile der ?usseren
Verteilerleitungen gerichtet sind, wobei zweckmäßigerweise die öffnungen in den inneren Verteilerleitungen unter
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90 und die Öffnungen in den äusseren Verteilerleitungen unter 30° gegenüber einer vertikalen Symmetrieebene angeordnet
sind. Hierdurch wird die Strömung des Reagenzmittels unmittelbar an den Austrittspunkten des Fließmediums
beschleunigt. Dabei wird der Strahleffekt des aus den kleinen Öffnungen in den inneren Verteilerleitungen austretenden
Fließmediums ausgenutzt, um das Reagenzmittel buchstäblich durch den Ringraum zwischen den beiden Verteilerleitungen
zu pumpen.
Vorteilhafterweise bilden jeweils zwei benachbarte ringförr.ige Scheiben in Längsrichtung der Verteilerleitungen zwischen
diesen Verteilerleitungen eine getrennte Ringkammer, die Öffnungen sowohl in den inneren als auch in den äusseren
Verbindungsleitungen enthält. Hierdurch wird erreicht, dass das aus einer Öffnung der inneren Verteilerleitung austretende
Fließmedium nur durch Öffnungen der äusseren Verteilerleitung in der gleichen Ringkammer in den Katalysator
gelangen kann. Weiterhin können jeweils zwei andere benachbarte ringförmige Scheiben in Längsrichtung der Verteilerleitungen
zwischen den Verteilerleitungen eine getrennte Ringkammer mit stehendem Fließmedium bilden, die keine Öffnungen
in den Verbindungsleitungen aufweist und dadurch einen Wärmeübergang zum Fließmedium erschwert. Beide Maßnahmen
verhindern, dass das Fließmedium auf seinem V7eg zu den Enden der inneren Verteilerleitung aufgeheizt wird.
Weiterhin nimmt die Verteilervorrichtung zwischen 60 und 90 % der Ouerschnittsflache des Reaktionsraumes ein, wodurch
sie einen beträchtlichen Teil der Ouerschnittsflache
des Katalysators im Reaktionsraum blockiert, so dass über dem Katalysatorbett zwischen den einzelnen Verteilerleitun-
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gen ein relativ hoher Druckabfall entsteht, der ebenfalls ein Fliessen des Reagenzmittels durch den Ringraum zwischen den
beiden Verteilerleitungen begünstigt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen. Im folgenden wird die Erfindung anhand
der Zeichnung in einem Tusführungsbeispiel näher erläutert,
das die Verteilung eines gasförmigen Fließmediums bei
einem exothermen Vorgang mit einem Reagenzmittel in Mischphase zeigt und dem weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungen
der Erfindung zu entnehmen sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels in einem
senkrecht stehenden zylindrischen Reaktionsraum,
Fig. 2 einen Teilschnitt gemäß Linie 2-2 in Fig. 1 ,
Fig. 3 einen Querschnitt durch die beiden konzentrischen ρΠ . Verteilerleitungen,
Fig. 5 eine Seitenansicht der inneren Verteilerleitung und
Fig. 6 eine vergrößerte, teilweise geschnittene Seitenansicht ähnlich derjenigen nach Fig. 5.
In Fig. 1 ist eine Verteilervorrichtung 1 für ein Fließmedium in Draufsicht dargestellt, die sich in einem senkrecht
angeordneten zylindrischen Reaktionsraum 2 befindet. Das Fließmedium, beispielsweise VTasserstoffgas, tritt über eine
Einlassöffnung 3 und eine Zuführleitung 4 ein, welch letztere sich im wesentlichen über den ganzen Durchmesser des Reaktionsraumes 2 erstreckt.
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Unterhalb der Zuführleitung 4 befinden sich eine Anzahl von Verteilerleitungen für das Fließmedium, welche jeweils
aus einer äusseren Verteilerleitung 5 und einer inneren Verteilerleitung 6 bestehen und in einer gemeinsamen horizontalen
Ebene liegen, die sänkrecht zu einer Vertikalebene durch die Längsachse der Zuführleitung 4 steht. Wie deutlicher aus
Fig. 2 hervorgeht, ist die Zuführleitung 4 unmittelbar nur mit den inneren Verbindungsleitungen 6 verbunden, wozu
Reduzierkupplungen 7 dienen. Aus Fig. 1 ist zu ersehen, dass die gesamte Verteilervorrichtung 1 etwa 80 % der Querschnittsflache
des Reaktionsraumes 2 einnimmt.
Gemäß Fig. 2 strömt das Fließmedium von der Zuführleitung 4 durch kurze vertikale Verbindungsstutzen 8, die Reduzierkupplungen
7 und etwas längere Verbindungsstutzen 9 geringeren Querschnittes in die inneren Verbindungsleitungen
6. über zwei, gegeneinander um 180° versetzte öffnungen
6a strömt das Fließmedium gegen einen nicht mit öffnungen versehenen Wandteil der äusseren Verbindungsleitungen 5,
der 34° gegenüber einer vertikalen Symmetrieebene versetzte Öffnungen 5a aufweist, die vorteilhafterweise zur Mitte der
Verbindungsleitungen 5 und 6 hin abgeschrägt sind.
Die Lage der Verteilerleitungen 5 und 6 sowie der öffnungen
5a und 6a geht deutlicher aus den Fig. 3 und 4 hervor, denen weiterhin eine der Stabilität dienende ringförmige
Scheibe 10 sowie eine siebartig mit Löchern 11a versehene
und die äussere Verteilerleitung 5 umgebende Hülle 11 zu
entnehmen sind. Die Strahlwirkung des aus den öffnungen 6a austretenden Fließmediums pumpt das Reagenzmittel geradezu
durch die Öffnungen 5a in den Ringraum zwischen den Verteilerleitungen
5 und 6 hinein, wodurch diese in Zusammenwirken mit dem Anströmen des nicht mit öffnungen versehenen
Wandteiles der äusseren Verteilerleitungen 5 innig mit dem Fließmedium vermischt wird. Die Löcher 11a in der Hülle 11
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haben einen solchen Durchmesser, dass keine Katalysatorträ-■
ger hindurch gelangen können.
Fig. 5 zeigt eine innere Verteilerleitung 6 mit einigen aufgesetzten
ringförmigen Scheiben 10. Wie deutlich zu erkennen ist, trennen jeweils zwei benachbarte Scheiben 10 die Öffnungen
6a voneinander. In Fig. 6 ist dargestellt, wie hierdurch zwischen den beiden Verteilerleitungen 5 und 6 getrennte
Ringkammern 13 gebildet werden. In dem Verbindungsstutzen 9 befindet sich ein Leitblech 10a, das dazu dient, das Fließmedium
gleichmäßig auf beide Teile der inneren Verbindungsleitung 6 umzulenken, so dass dieses durch deren ganze Länge
fliessen kann. Zwischen jeweils zwei Ringkammern 13 befindet sich eine Ringkammer 12 mit stehendem Fließmedium, welche der
Wärmeisolation der inneren Verteilerleitung 6 gegen den Reaktionsraum 2 dient.
Die einzelnen Abmessungen der Verteilervorrichtung 1 hängen von vielen Einzelheiten ab, beispielsweise von den physikalischen
und chemischen Eigenschaften des Ausgangsstoffes im Reagenzmittel, von der Eigenart der durchzuführenden chemischen
Reaktionen und der beabsichtigten Qualität des Endproduktes, von der Zuführungsgeschwindigkeit des Ausgangsstoffes
, von den Abmessungen des katalytischen Reaktionsraumes 2, von der Menge des darin untergebrachten Katalysators
und von der zu ervrartenden Wärmemenge der exothermen Reaktion, Die folgenden Maßangaben sind somit nur/ein ganz spezielles
Beispiel zu v/er ten.
Der Druckabfall über den Öffnungen 6a in der inneren Verteilerleitung
6 beträgt zwischen 0,3 und 1 bar. Diese Öffnungen 6a haben einen Durchmesser zwischen 0,8 und 4 mm. Die Pffnun-
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gen 5a in der äusseren Verteilerleitung 5 besitzen einen Durchmesser zwischen 16 und 22 mm. In einer Ringkammer 12
befinden sich üblicherweise zwei öffnungen 5a und zwei bis vier öffnungen 6a. Das Durchmesserverhältnis von äusseren
(5) zu inneren Verteilerleitungen 6 beträgt zwischen 2:1 und 4:1.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Reaktionsraum 2 einen Innendurchmesser von 3,7 m auf und besitzt 25
Doppel-Verteilerleitungen 5, 6, von denen die inneren Verteilerleitungen 6 einen Durchmesser von 25 mm und deren öffnungen
6a einen Durchmesser von 1,6 mm haben. Die äusseren Verteilerleitungen 5 besitzen einen Durchmesser von 7 6 mm
und ihre öffnungen 5a einen solchen von 19 mm. Entlang der
Längsausdehnung der Verteilerleitungen 5, 6 waisen die Ringkammern
13 eine Breite von 25 mm und die öffnungen 5a, 6a einen Abstand von 76 mm auf.
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Claims (1)
- DlPU-ING. M. SC. DIPL.-PHYS. D«. DIPL-PHYS.DIPL.-PHYS. DR-BOEHMEP ATE NT A-M WÄ-1-T E IM-STy-TiTGAA-T --"HÖGER- STELLRECHT ~GR|£S&BA;QK - HAECKER30007UΛ 43 946 h Anmelder: UOP Inc.t - 177 Ten UOP Plaza8. Januar 19 80 Alaonauin & Mt. Prospect RoadsDes Plaines, Illinois, USAPatentansprüche. Vorrichtuna zur. gleichrerfigen Verteilen eines Tließmediums in einem Reaktionsraum, insbesondere eines Heiz- oder Kühlmittels in einem katalytischen Reaktionsraum mit trägersubstanz-gebundenem Katalysator, mit einer Anzahl in einer gemeinsamen Ebene im Abstand voneinander angeordneter, mit öffnungen versehener Verteilerleitungen für das Fließmedium, welche unmittelbar mit einer Zuführleitung in Verbindung stehen,dadurch cekennzeichnet, dass jede Verteilerleitung (6) im Abstand von einer gleichachsigen, mit öffnungen (5a) versehenen äusseren Verteilerleitung (5) umgeben ist.2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren (6) und äusseren Verteilerleitunoen(5) unterhalb der Zuführleitung (4) angeordnet sind.3.. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen (5a) in den äusseren Verteilerleitungen (5) einen grösseren Durchmesser aufweisen als die öffnungen (6a) in den inneren Verteilerleitungen (6).4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den inneren (6) und den130029/0137BADΛ 43 946 b . ■: : : . *: :8. Januar 1980 - 2 -äusseren Verteilerleitungen (5) eine Anzahl ringförmiger Scheiben (10) in Abstand voneinander und senkrecht zur Längsachse der Verteilerleitungen (5, 6) angeordnet sind, deren Innendurchmesser dem Aussendurchmesser der inneren Verteilerleitungen (6) und deren Aussendurchnesser dem Innendurchmesser der äusperen Verteilerleitungen (5) im wesentlichen entsprechen.5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede äussere Verteilerleitung (5) von einer siebartig mit Löchern (11a) versehenen Hülle(11) umgeben ist.6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (5a) in den äusseren Verteilerleitungen (5) nach innen abgeschrägt sind.7. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (6a) in den inneren Verteilerleitungen (6) so gegen die öffnungen (5a) in den äusseren Verteilerleitungen (5) versetzt sind, dass sie gegen nicht mit öffnunaen (5a) versehene Wandteile der äusseren Verteilerleitungen (5) gerichtet sind.8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (6a) in den inneren Verteilerleitungen (6) unter 90° und die Öffnungen (5a) in den äusseren Verteilerleitungen (5) unter 30 gegenüber einer vertikalen Symmetrieebene angeordnet sind.9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jevreils zwei benachbarte ringför-130029/0137Ä 43 946 b · :::::;::t - 177 " ""8. Januar 1980 - 3 - 30007mige Scheiben (10) in Längsrichtung der Verteilerleitungen (5, 6) zwischen diesen Verteilerleitungen (5, 6) eine getrennte Ringkammer (13) bilden, die Öffnungen (5a, 6a) sowohl in den inneren (6) als auch in den äusseren Verbindungsleitungen (5) enthält.10. 'Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass jev.'eils zwei andere benachbarte ringförmige Scheiben -(1O) in Längsrichtung der Verteilerleitungen (5, 6) zwischen diesen Verteilerleitungen (5, 6) eine getrennte Ringkaroner (12) mit stehendem Fließmedium bilden, die keine Öffnungen (5a, 6a) in den Verbindungsleitungen (5, 6) aufweist..11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführleitung (4) über je einen Verbindungsstutzen (9) an einen mittleren Bereich der inneren Verbindungsleitungen (6) angeschlossen ist und dass in den Verbindungsstutzen (9) Leitbleche (10a) für das Fließmedium angeordnet sind.12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwischen 60 und 90 % der Ouerschnittsflache des Reaktionsraumes (2) einnimmt.130029/0137-A-BAD ORIGINAL
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