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DE3318098A1 - Verfahren und reaktor zur durchfuehrung einer endo- oder exothermen reaktion - Google Patents

Verfahren und reaktor zur durchfuehrung einer endo- oder exothermen reaktion

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DE3318098A1
DE3318098A1 DE19833318098 DE3318098A DE3318098A1 DE 3318098 A1 DE3318098 A1 DE 3318098A1 DE 19833318098 DE19833318098 DE 19833318098 DE 3318098 A DE3318098 A DE 3318098A DE 3318098 A1 DE3318098 A1 DE 3318098A1
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fluid
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reaction
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Bernhard Dr. 8023 Pullach Kruis
Heinz Dipl.-Ing. 8026 Zell Link
Hans-P. Dr.-Ing.habil. 8023 Pullach Riquarts
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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Description

  • Verfahren und Reaktor zur Durchführung
  • einer endo- oder exothermen Reaktion Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer endo- oder exothermen Reaktion, bei dem ein reagierendes Fluid eine durch ein Heiz- oder Kühlfluid indirekt beheizte oder gekühlte Reaktionszone durchströmt, wobei das Heiz- oder Kühlfluid'in axialer Vorzugsrichtung durch die Reaktionszone strömt, sowie einen Reaktor zur Durchführung des Verfahrens.
  • Ein derartiges Verfahren ist für Synthesereaktionen bereits bekannt. So zeigt die DE-OS 30 07 202 einen Reaktor zur Durchführung einer Methanolsynthese mit einer zylindrischen Reaktionszone, die mit einer Schüttung aus Katalysatorteilchen gefüllt ist. Das Synthesegas wird in axialer Richtung durch die Reaktionszone geführt. In der Katalysatorschüttung sind Rohre zur Führung eines Kühlfluids angeordnet,-durch welches die bei der Reaktion freiwerdende Wärme abgeführt wird. Die Rohre sind um ein Kernrohr gewickelt und werden von dem Synthesegas im wesentlichen quer angeströmt.
  • Die Vorzugsströmungsrichtung für das Kühlfluid verläuft in axialer Richtung, so daß das Kühlfluid parallel oder im Gegenstrom zum Synthesegas strömt. Bei diesem Verfahren wird in der Reaktionszone ein weitgehend isothermes Temperaturprofil erzielt.
  • Allerdings muß bei diesem Verfahren aufgrund der Strömungsverhältnisse ein großer Druckabfall für das Synthesegas beim Durchgang durch die Reaktionszone in Kauf genommen werden.
  • Neben den energetischen Nachteilen, die dieser Druckverlust mit sich bringt, ist überdies die maximal mögliche Baugröße des Reaktors durch den Druckabfall begrenzt.
  • -Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das mit einem geringen Druckabfall des reagierenden Fluides durchführbar ist und das auch die Verarbeitung großer'Fluidmengen ermöglicht,.
  • wobei im Reaktionsraum der vorteilhafte annähernd isotherme Temperaturverlauf erhalten bleiben soll.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das reagierende Fluid in radialer Richtung durch die Reaktionszone geführt wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Zu- oder Abführung des reagierenden Fluides bzw. des Reaktionsproduktes am Umfang der Reaktionszone, während die Ab- oder Zuführung des Reaktionsproduktes bzw. des reagierenden Fluides in der Achse der Reaktionszone erfolgt. Vorteilhafterweise wird dabei dãs reagierende Fluid derart geführt, daß sich das kalte Ende" des Reaktionsprozesses am Umfang befindet, damit der Reaktoraußenmantel keinen hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Dies bedeutet, daß bei einer exothermen Reaktion das reagierende Fluid mit Vorteil radial von außen nach innen geführt wird, während umgekehrt bei einer endothermen Reaktion das reagierende Fluid mit Vorteil radial von innen nach außen geführt wird.
  • Die erfindungsgemäße Verfahrens führung ermöglicht eine Beibehaltung des weitgehend isothermen Temperaturverlaufs in der Reaktionszone, wobei nunmehr allerdings der Druckabfall, den das reagierende Fluid beim Durchgang durch die Reaktionszone erleidet, minimiert ist und nicht mehr von der Baulänge des Reaktors abhängt. Auch bei sehr großen Reaktoreinheiten bleibt daher, bei festem Reaktorquerschnitt, ein niedriger Druckabfall erhalten. Die erfindungsgemäße Strömungsführung ergibt hohe Wärmegangszahlen, verringert die Überhitzungsgefahr in der Reaktionszone ("Hot Spots") und verkneinert die .Temperaturgradienten in der Reaktionszone.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl für die Durchführung katalytischer Reaktionen, wie beispielsweise Synthesen, als auch für nichtkatalytischeReaktionen, wie z.B. Spaltreaktionen.
  • Es erweist sich als vorteilhaft, wenn in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das reagierende Fluid mindestens zwei axial voneinander getrennten Reaktionsteilzonen durchströmt. Hierbei wird, je nach den Verfahrensbedingungen, das reagierende Fluid in Parallelführung durch die Reaktionsteilzonen geführt oder es durchströmt die Teilzonen zickzackförmig nacheinander.
  • Die Unterteilung der Reaktionszone in mehrere Teilzonen bietet den Vorteil, daß in der Reaktionszone verschiedene Temperaturbereiche einstellbar sind. Die Temeratur läßt sich beispielsweise durch Variation der örtlichen Kühlflächendichte variieren. Auf diese Weise wird ein Umsatz-Temperatur-Profil erzielt, das den jeweiligen verfahrenstechnischen und/oder wirtschaftlichen Prozeß-Optimalbedingungen am nächsten kommt.
  • Es kann sich hierbei als zweckmäßig erweisen, wenn dem rea- gierenden Fluid nach Durchströmen einer Reaktionsteilzone kaltes unreagiertes Fluid zugemischt wird.
  • In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß vor Eintritt in die zweite Reaktionsteilzone reagierete Anteile von dem Fluid abgetrennt werden.
  • Am Beispiel einer katalysierten Synthese von S02 aus einem Gemisch von SO31 °2 und Inertgasen bedeutet dies, daß in der ersten Reaktionsteilzone gebildetes S03 von dem Gasstrom abgetrennt wird, bevor dieser in die zweite Reaktionsteilzone geleitet wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen Reaktor zur-Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Reaktionszone und mit in der Reaktionszone verlaufenden Rohren zur Führung eines Heiz- oder Kühlfluids, die in einer Vorzugsrichtung verlaufen, sowie mit Einrichtungen zur Zuführung eines reagierenden und zur Abführung eines reagierten Fluides, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einrichtungen zur Zuführung und die Einrichtungen zur Abführung in Ebenen senkrecht zur Vorzugsrichtung der Rohre angeordnet sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors ist eine erste Einrichtung zur Zu- und Abführung durch einen Strömungsraum am Umfang der Reaktionszone gebildet, der durch einen mit Durchlaßöffnungen versehenen Mantel-von der Reaktionszone abgetrennt ist. Der Mantel ist zweckmäßiger'weise mit Abstand zu dem Gehäuse des Reaktors angeordnet und bildet mit diesem einen Strömungsraum von ringförmigem Querschnitt.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine zweite Zu- oder Abführung durch einen Strömungsraum im: Inneren der Reaktionszone gebildet, der durch ein mit Durchlaßöffnungen versehenes Zentralrohr von der umgebenden Reaktionszone abgetrennt ist.
  • Es erweist sich als günstig, wenn das Zentralrohr-zugleich als Wickelkern für die Heiz- oder Kühlrohre ausgebildet ist.
  • In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen, daß in der Reaktionszone mindestens eine senkrecht zur Achsrichtung verlaufende Trennwand angeordnet ist.
  • Es erweist sich weiterhin als zweckmäßig, wenn die Heiz-oder Kühlflächendichte in der Reaktionszone variiert.
  • Die lokale Temperatur kann mittels dieser Maßnahme besser auf den-vom Verfahrensablauf her günstigsten Wert eingestellt werden.
  • Eine unterschiedliche Kühlflächendichte läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß Rohre mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder unterschiedlichen gegenseitigem Abstand und/oder unterschiedlichen Kühlrippen oder Kühlflossen verwendet werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfind;ungsgemäßen Reaktors enthält die Reaktionszone eine Katalysatorschüttung.
  • Der erfindungsgemäße Reaktor eignet sich vorzugsweise für Reaktonen mit rascher Produktbildung, die mit einer relativ kurzen durchströmten Reaktionszone auskommen, und die zum Erreichen großer Produktmengen große Strömungsquerschnitte benötigen. Ein Beispiel für eine derartige Reaktion ist die Synthese von SO3 aus SO2.
  • Weitere Anwendungsbeispiele für den erfindungsgemäßen Reakto sind Methanolsynthese, Ammoniaksynthese, Formaldehyderzeugung, Benzingewinnung aus Methanol, Methanisierung und CO-Shift Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Hierbei zeigen: Figur 1 einen erfindungsgemäßen Reaktor im Längsschnitt Figur 2 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Reaktors im Längsschnitt Figur 3 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Reaktor mit einem zugeordneten Temperaturprofil.
  • Der in Figur 1 dargestellte Reaktor weist ein Gehäuse 1 auf, in welchem eine Katalysatorschüttung angeordnet ist. Das Gehäuse 1 enthält eine Einfüllöffnung 3 und eine Entleerungsöffnung 4 für, die Katalysatorschüttung 2. Oberhalb und unterhalb der Katalysatorschüttung 2 ist Inertmaterial 5 eingefüllt, um Bypässe zu vermeiden und.um teures Katalysatormaterial einzusparen.
  • Die Katalysatorschüttung ist an ihrem äußeren Umfang durch einen mit Durchlaßöffnungen versehenen Mantel 6 begrenzt, beispielsweise aus Lochblech und einem Maschensieb. Der Mantel 6 ist mit Abstand zu dem Gehäuse 1 angeordnet und bildet mit diesem zusammen einen Raum 7 mit ringförmigem Querschnitt. In den Raum 7 münden Stutzen 8 zur Zuführung eines reagierenden Fluides. Im Inneren der Katalysatorschüttung 2 ist ein Zentralrohr 9 angeordnet, das im Bereich der Katalysatorschüttung 2 mit Perforationen'versehen ist. Das Zentralrohr 9 ist an seiner Oberseite ge- schlossen, während es nach unten durch das Gehäuse 1 nach außen geführt und als Abführungsöffnung für reagierendes Fluid ausgebildet ist.
  • Innerhalb der Katalysatorschüttung 2 sind Rohre 10 angeordnet, die an ihren Enden-in Rohrsammlern 11, 1 2 zusammengefaßt sind. Die Rohre 10 verlaufen in der dargestellten Ausführungsform geradlinig, ebensogut könnten die Rohre auch um.das Zentralrshr 9 gewickelt sein. Die Rohre 10 dienen zur Führung eines Heiz- oder Kühlfluids, je nachdem, ob in dem Reaktor eine endo- oder eine exotherme Reaktion stattfinden soll. In jedem Fall verläuft die Vorzugsströmungsrichtung des in den Rohren 10 geführten Fluids in axialer Richtung.
  • Wird in dem erfindungsgemäßen Reaktor eine exotherme Synthesereaktion, z.B. eine Methanol- oder NH3-Synthese, durchgeführt, so wird das reagierende Fluid, das sich auf einer tieferen Temperatur als das Reaktionsprodukt befindet, über die Stutzen 8 zugeführt. Das Fluid verteilt sich zunächst gleichmäßig in dem Raum 7 und durchströmt anschließend die Katalysatorschüttung 2 in radialer Richtung von außen nach innen, wie dies durch Pfeile 13 angedeutet ist. Die bei der katalytischen Synthese freiwerdende Wärme wird von in den Rohren 10 geführtem Kühlfluid, z.B. verdampfndm Wasser, aufgenommen und abgeführt. Der Verlauf des Kühlfluids ist durch Pfeile 14 angedeutet. Nach Durchströmen der Reaktionszone gelangt das reagierte Fluid ins Innere des Zentralrohres 9 und verläßt den Reaktor durch dieses nach unten.
  • Diese Verfahrens führung bei einer exothermen Reaktion bietet den Vorteil, daß das Gehäuse 1 durch das reagierende Fluid, das sich auf einer relativ niedrigen Temperatur befindet, gekühlt wird. Wird dagegen in dem Reaktor eine endotherme Reaktion durchgeführt, bei der sich das reagi.erteFluid.auf einer niedrigeren Temperatur als das reagierende Fluid.befindet, so wird vorzugsweise die Strömungsrichtung des reagierenden Fluids umgekehrt, d.h. das reagierende Fluid wird über das Zentralrohr 9 zugeführt und durchströmt die Katalysatorschüttung 2 von innen nach außen, um anschließend den Reaktor über die Stutzen 8 zu verlassen.
  • Gundsätzlich ist es auch möglich, den Reaktor auf dem Kopf stehend zu betreiben, d.h. die Stutzen 8 im unteren Bereich anzuordnen und das Zentralrohr 9 nach oben aus dem Reaktor zu führen.
  • Figur'2 zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Reaktor ähnlich denjenigen gemäß Figur 1, jedoch mit dem Unterschied, daß die Katalysatorschüttung 2 durch Trennwände 15, 16 in drei axial voneinander getrennte Abschnitte 17, 18, 19 unterteilt ist, die Reaktionsteilzonen bilden. Die obere Trennwand 15 reicht außen bis zur Gehäusewand, während sie innen am Zentralrohr 9 endet. Die untere Trennwand 16 endet außen am Mantel 6 und erstreckt sich innen über den gesamten Querschnitt des Zentralrohres 9. Auf diese Weise wird das durch die Stutzen 8 zugeführte Fluid entlang der Pfeile 20 auf einem zickzackförmigen Strömungsweg nacheinander durch die drei Abschnitte 17, 18, 19 der Katalysatorschüttung 2 geführt. Die Reaktionszone wird dadurch verlängert. Bei Bedarf werden in den einzelnen Reaktionsteilzonen unterschiedliche Kühlflächendichten eingestellt, beispielsweise durch Aufbringen von Kühlrippen oder Kühlflossen an den Rohren 10. Es ist auch eine Anordnung denkbar, bei der sich die Trennwände nur über die Querschnittsfläche der Katalysatorschüttung 2 erstrecken, so daß die zwischen den Trennwänden liegenden Abschnitte der Katalysatorschüttung parallel vom reagierenden Fluid durchströmt werden.
  • Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform wird bei Bedarf dem Fluid 20 nach Durchströmen des ersten Abschnit" tes 17 und/oder des zweiten-Abschnittes 18 kaltes unreagiertes Gas zugemischt, um eine zusätzliche Abkühlung zu erreichen und um den Katalysator besser auszunützen. Die Zuführung erfolgt beispielsweise über in der Figur 2 nicht dargestellte Gaszuführungseinrichtungen in das Zentralrohr 9 oder in den Raum 7 unterhalb der Trennwand 15.
  • Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus der Katalysatorschüttung eines erfindungsgemäßen Reaktors, wobei sich hier die Dichte der Kühlrohre 10 in Strömungsrichtung des reagierenden Fluides ändert. Unter diesem Ausschnitt ist der Temperaturverlauf des reagierenden Fluides auf seinem Weg durch die Katalysatorschüttung 2 dargestellt. Das reagierende Fluid tritt mit der Temperatur T E in die Reaktionszone ein und erwärmt sich durch die einsetzende Reaktion stark. Die Reaktionswärme wird von dem Kühlfluid abgeführt, das eine Temperatur TK besitzt. In dem Bereich, in dem die Maximaltemperatur TM zu erwarten ist, sind die Rohrabstände verringert, um die Heizfiächendichte zu erhöhen und um eine Überhitzung des Katalysators und/oder unerwünschte Begleitreaktionen zu verhindern. Die Austrittstemperatur beträgt TA

Claims (11)

  2. Patentansprüche Verfahren zur Durchführung einer endo- oder exothermen Reaktion, bei dem ein reagierendes Fluid eine durch ein Heizt oder Kühlfluid indirekt beheizte oder gekühlte Reaktionszone durchströmt, wobei das Heiz- oder'Kühlfluid in axialer Vorzugsrichtung durch die Reaktionszone strömt, dadurch gekennzeichnet, daß das reagierende Fluid in radialer Richtung durch die Reaktionszone geführt wird 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reagierende Fluid mindestens zwei axial voneinander getrennte Reaktionsteilzonen durchströmt.
  3. 3' Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem reagierenden Fluid nach Durchströmen einer Reaktionsteilzone kaltes unreagiertes Fluid zugemischt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor Eintritt in die zweite Reaktionsteilzone reagierte Anteile von dem Fluid abgetrennt werden.
  5. 5. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Reaktionszone und mit in der Reaktionszone -verlaufenden Rohren zur Führung eines Heiz- oder Kühlfluids, die in einer Vorzugsrichtung verlaufen, sowie mit Einrichtungen zur Zuführung eines reagierenden und zur Abführung eines reagierten Fluides, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung und die Einrichtung zur Abführung in Ebenen senkrecht zur Vorzugsrichtung der Rohre (10) angeordnet sind.
  6. 6. Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Einrichtung zur Zu- oder Abführung durch einen Strömungsraum (7) am Umfang der Reaktionszone gebildet ist, der durch einen mit Durchlaßöffnungen versehenen Mantel (6) von der Reaktionszone abgetrennt ist.
  7. 7. Reaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Zu- oder Abführung durch einen Strömungsraum im Inneren der Reaktionszone gebildet ist, der durch ein mit Durchlaßöffnungen versehenes Zentralrohr (9) von der umgebenden Reaktionszone abgetrennt ist.
  8. 8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralrohr (9) zugleich als Wickelkern für die Heiz- oder Kühlrohre (10) ausgebildet ist.
  9. 9. Reaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionszone mindestens eine senkrecht zur Achsrichtung verlaufende Trennwand (15,16) .angeordnet ist.
  10. 10. Reaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz- oder Kühlflächendichte in der Reaktionszone variiert.
  11. 11. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionszone eine Katalysatorschüttung (2) enthält.
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