DE60129686T2

DE60129686T2 - Reaktor für exothermische oder endothermische heterogene reaktionen

Info

Publication number: DE60129686T2
Application number: DE60129686T
Authority: DE
Inventors: Ermanno Filippi; Enrico Rizzi; Mirco Tarozzo
Original assignee: Methanol Casale SA
Current assignee: Casale SA
Priority date: 2000-05-11
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: EP1757360A2; DK1284813T3; EP1284813A1; GC0000361A; BR0110625A; EP1284813B1; EP1757360A3; AU6591701A; UA74376C2; EP1854535A2; ATE368511T1; CA2407907C; AR033532A1; BR0110625B1; RU2265480C2; WO2001085331A1; US20020018740A1; US20030175184A1; EP1153653A1; CN1281304C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen isothermen Reaktor zum Ausführen von exothermen oder endothermen heterogenen Reaktionen, von der Art, die Folgendes umfasst:

– eine Außenhülle von im Wesentlichen zylindrischer Form;
– mindestens einen Wärmeaustauscher, der in eine katalytische Schicht eingebettet ist, welche in der Hülle abgestützt ist.

In der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen bezeichnet der Ausdruck „isothermer Reaktor" einen Reaktor für chemische Reaktionen, bei denen die Temperatur innerhalb der einen oder mehreren katalytischen Schicht(en), wo die Reaktion stattfindet, geregelt wird, indem im Wesentlichen Wärme abgeführt oder zugeführt wird. Diese Reaktion kann sowohl exothermer als auch endothermer Natur sein. Dagegen bezeichnet der Ausdruck „adiabatischer Reaktor" einen Reaktor für chemische Reaktionen, bei denen innerhalb der einen oder mehreren katalytischen Schicht(en), wo die Reaktion stattfindet, kein Wärmeaustausch mit der äußeren Umgebung stattfindet.
Wie auf dem Gebiet der exothermen oder endothermen heterogenen Synthese bekannt ist, besteht ein immer deutlicher wahrnehmbarer Bedarf an isothermen Reaktoren hoher Kapazität, die einerseits einfach aufgebaut und zuverlässig sind sowie niedrige Investitionen und Wartungskosten erforderlich machen, und andererseits in der Lage sind, mit einer hohen Umwandlungsausbeute, niedrigen Druckabfällen, einem niedrigen Energieverbrauch und einem hohen Wärmeaustauschwirkungsgrad zwischen den Reaktionspartnern und dem Wärmeaustauschfluid zu arbeiten.
Stand der Technik
Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden isotherme Reaktoren mit einer katalytischen Schicht vorgeschlagen, die von den Reaktionspartnern senkrecht zur Reaktorachse durchquert wird, und innerhalb derer sich ein Wärmeaustauscher befindet, der aus einer großen Zahl von Kanälen für das Abführen oder das Zuführen der Wärme besteht. In der folgenden Beschreibung wird diese Schicht als radiale katalytische Schicht bezeichnet.
Ein Beispiel derartiger Reaktoren ist in DE-A-3 318 098 beschrieben.
In diesem Patentdokument besteht der Wärmeaustauscher aus Kanälen, die spiralförmig um einen Kollektor verlaufen, der sich entlang der Reaktorachse erstreckt, um die gasförmigen Produkte der Reaktion aufzunehmen.
Insbesondere ist ein Wärmeaustauscher vorgesehen, der aus einem Bündel von spiralförmigen Kanälen besteht, die zwischen sich gegenüberliegenden Röhrenplatten gehaltert sind, die an den Enden der Hülle angeordnet sind.
Es ist festzuhalten, dass die Wärmeaustauscher mit vorstehender Konstruktion auch bei Reaktoren bekannt sind, bei denen die katalytische Schicht axial durch die Reaktionsgase durchquert werden soll.
Es wird zum Beispiel auf US-A-4 339 413 und US-A-4 636 365 Bezug genommen.
Obwohl der Reaktor, der mit einem in DE-A-3 318 098 beschriebenen Wärmeaustauscher versehen ist, in einigen Aspekten vorteilhaft ist, hat er eine Reihe von Nachteilen, die nachfolgend aufgezeigt werden.
Zuerst die Tatsache, dass beim Durchqueren der katalytischen Schicht der Strom der Reaktionsgase und Reaktionsprodukte, der bezüglich der Anordnung der spiralförmigen Kanäle schräg fließt, in Kontakt mit verschiedenen Kanälen bei verschiedenen Temperaturen kommt, wobei der Wärmeaustauschwirkungsgrad von Rohr zu Rohr unterschiedlich ist.
Mit anderen Worten, erhöht sich im Fall einer exothermen Reaktion die Temperatur der gasförmigen Reaktionspartner schrittweise, während sie die katalytische Schicht in radialer Richtung durchqueren. Aus diesem Grund trifft ein relativ kalter Strom auf die äußeren Kanäle in dem Bündel spiralförmiger Kanäle, wobei auf die inneren Kanäle ein immer wärmeres Gas trifft, von dem sie eine immer größere Menge an Wärme aufnehmen.
Dadurch nimmt jedes spiralförmige Rohr gemäß seiner Anordnung in der katalytischen Schicht eine unterschiedliche Menge Wärme auf und muss somit eine unterschiedliche thermische Belastung aufnehmen.
Falls das Wärmeaustauschfluid zum Beispiel aus Wasser besteht, das in Dampf umgewandelt wird, produzieren in der Anordnung des in DE-A-3 318 098 vorgeschlagenen spiralförmigen Rohrbündel-Wärmeaustauschers keine zwei Kanäle die gleiche Menge an Dampf.
Darüber hinaus beruht die deutliche erfasste Verringerung des Wärmeaustauschwirkungsgrads auch auf der Tatsache, das die Kanäle in der vorstehenden Anordnung, die mit den gasförmigen Reaktionspartnern bei einer geringen Temperatur in Kontakt sind, einer geringen thermischen Belastung unterliegen, was ein niedriges Maß der Verdampfung für das Wasser impliziert, mit einer sich daraus ergebenden geringen Ausströmgeschwindigkeit und somit hohen Wasserdurchflüssen hinsichtlich der Masse.
Dagegen sind die spiralförmigen Rohre, die mit den gasförmigen Reaktionspartnern hoher Temperatur in Kontakt stehen, einer hohen thermischen Belastung unterworfen, was ein hohes Maß der Verdampfung für das Wasser impliziert, mit einer sich daraus ergebenden hohen Ausströmgeschwindigkeit und somit niedrigen Wasserdurchflüssen hinsichtlich der Masse.
Ein weiterer Nachteil des Reaktors gemäß dem Stand der Technik ist seine hohe Komplexität hinsichtlich seiner Struktur und Herstellung, die sich aus dem spiralförmigen Aufbau des Röhrenbündels ergibt, was sicherlich hohe Investitionen und Wartungskosten erforderlich macht. Es ist festzuhalten, dass es in manchen Fällen aufgrund dieser strukturellen Komplexität sogar unmöglich sein kann, an ihm eine Wartung durchzuführen.
Gerade wegen dieser Nachteile wurden die vorstehend beschriebenen isothermen Reaktoren zum Ausführen von exothermen oder endothermen heterogenen Synthesen bis heute in der Praxis nur wenig verwendet, obwohl der Bedarf auf dem Gebiet von Reaktoren hoher Kapazität immer deutlicher wahrnehmbar wird.
Diese Nachteile sind noch ausgeprägter, wenn es sich bei dem verwendeten isothermen Reaktor nicht um einen der vorstehend erwähnten spiralförmigen Rohrbündelreaktoren handelt, sondern um einen vertikalen Rohrbündelreaktor. US-A-3 784 361 zeigt einen Reaktor zum Ausführen von chemischen Reaktionen.
Zusammenfassung der Erfindung
Das technische Problem, das die Grundlage der vorliegenden Erfindung bildet, ist, dass ein isothermer Reaktor zum Ausführen von exothermen oder endothermen heterogenen Reaktionen zur Verfügung gestellt wird, der in der Lage ist, die vorstehend beschriebenen Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Nachteile, die bezüglich des Standes der Technik erwähnt wurden, nicht mehr aufweist.
Gemäß der Erfindung wird das Problem durch einen Reaktor nach Anspruch 1 gelöst.
Der hier verwendete Ausdruck „mit Platten ausgeführter Wärmeaustauscher" bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher, der über Platten verfügt, die zugeordnete Kanäle umfassen, in denen das Wärmeaustauschfluid fließt. Insbesondere umfassen diese Platten – vorzugsweise gewellte – Wände, die zueinander parallel und nebeneinander gestellt sind, zwischen denen sich die vorstehenden Kanäle für die Zirkulation des Wärmeaustauschfluids befinden.
Der mit Platten ausgeführte Wärmeaustauscher ist in eine katalytische Schicht eingebettet, die von den gasförmigen Reaktionspartnern durchquert wird, die mit dem Katalysator in Kontakt kommen, reagieren und im Fall einer exothermen Reaktion Wärme erzeugen. Die erzeugte Wärme wird von den Reaktionsgasen bei Auftreffen auf den vorstehenden Platten an ein Kühlmittel abgegeben, das in diesen Kanälen fließt.
Dank der vorliegenden Erfindung ist es auf vorteilhafte Weise möglich, auf einfache und wirksame Art einen isothermen Reaktor mit einem hohen Wärmeaustauschgrad zu erhalten, der eine optimale Temperaturregelung ermöglicht, und zwar mit allen Vorteilen für die Umwandlungsausbeute und den Energieverbrauch.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jeder einzelne Kanal, der zwischen den Platten definiert ist, tatsächlich jeweils entlang zweier unterschiedlicher Richtungen verlaufen.
Eine erste Richtung parallel zur Reaktorachse und, dementsprechend, parallel zu der Erzeugenden der Hülle, wenn der Strom der Reaktionspartner entlang dieser Achse geleitet wird (axialer Strom) oder alternativ eine zweite Richtung senkrecht zur Reaktorachse, wenn der Strom der Reaktionspartner so geleitet wird (radialer Strom).
Auf diese Weise sind die Kanäle vorteilhafterweise immer im Wesentlichen parallel zum Gasstrom, der die Reaktionspartner und die Reaktionsprodukte umfasst.
Dies bedeutet, dass jeder einzelne Kanal des mit Platten ausgeführten Austauschers gemäß der vorliegenden Erfindung in Kontakt mit dem gleichen Teil von Reaktionspartnern ist, und somit vorteilhafterweise allen Veränderungen der Wärme, die durch die Reaktion erzeugt oder aufgenommen wird, folgt; deshalb ist es möglich, für die laufende Reaktion ein vorbestimmtes Temperaturprofil zu erhalten.
Darüber hinaus unterliegen, wann immer mehrere Kanäle gemäß der vorliegenden Erfindung innerhalb der einen oder mehreren katalytischen Schicht(en) angeordnet sind, diese Kanäle vorteilhafterweise alle der gleiche thermische Belastung. Zum Beispiel erzeugen im Fall einer exothermen Reaktion mit heißem oder kochendem Wasser als Kühlmittel alle Ka näle die gleiche Menge an Dampf (einheitliche Verteilung von Wasser und Dampf innerhalb der Kanäle).
Der höhere Wärmeaustauschwirkungsgrad innerhalb des Reaktors gemäß der Erfindung ermöglicht es, Wärme mit kleineren Temperaturunterschieden zwischen dem Reaktionsfluid und dem Heiz- oder Kühlfluid wiederzugewinnen oder zur Verfügung zu stellen. Dieser Vorteil impliziert einen kleineren Temperaturgradienten innerhalb der katalytischen Schicht zwischen zwei benachbarten Platten, somit eine größere Einheitlichkeit der Temperatur innerhalb der katalytischen Schicht erzielt wird und dadurch eine Erhöhung der Umwandlungsausbeute bezüglich der Reaktoren gemäß dem Stand der Technik. Oder, wenn die Umwandlungsausbeute gleich ist, erlaubt die Erhöhung des Wärmeaustauschwirkungsgrads eine Verringerung des erforderlichen Volumens des Katalysators mit den daraus folgenden Einsparungen bezüglich des Raums und der Investitionskosten.
Ein weiterer Vorteil, der sich aus der vorliegenden Erfindung ergibt, besteht darin, dass, wenn mehrere Kanäle innerhalb einer katalytischen Schicht angeordnet sind, diese Kanäle alle von der gleichen Zufuhrquelle gespeist werden können, weil – da sie alle die gleiche thermische Belastung durchmachen – es nicht zu Problemen bei der Regelung der Zufuhr und der Abnahme des Kühlfluids/Heizfluids kommt.
Darüber hinaus ist es dank der strukturellen Einfachheit der Wärmeaustauscher möglich, deren Wartung auf eine besonders einfache und kostengünstige Weise durchzuführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die als Hinweis gebendes und nicht einschränkendes Beispiel dienen, näher erläutert. Hierbei zeigt
1 in einer perspektivischen Teilansicht einen Reaktor, der gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird;
2 eine perspektivische und vergrößerte Ansicht eines Bestandteils des Reaktors von 1;
3 in teilweiser perspektivischer Ansicht eine alternative Ausführungsform des Reaktors von 1;
4 in einer perspektivischen Teilansicht einen Reaktor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine perspektivische und vergrößerte Ansicht eines Bestandteils des Reaktors von 4;
6 eine perspektivische Teilansicht einer alternativen Ausführungsform des Reaktors von 4.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf die vorstehend erwähnten Zeichnungen wird die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wie folgt beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein isothermer Reaktor 1 mit einer Außenhülle 2 gezeigt, der zum Ausführen exothermer oder endothermer heterogener Reaktionen dient.
Diese Hülle 2 hat eine zylindrische Struktur und ist an ihren Enden durch jeweilige Böden verschlossen, und zwar mit einem oberen Boden 2a, der mit einer Öffnung 3 und 4 versehen ist und einem unteren Boden 2b, der mit einer Öffnung 7 versehen ist.
Die kreisförmige Öffnung 4 für den Einlass der gasförmigen Produkte, die zur Reaktion kommen sollen, ist an der Oberseite des oberen Bodens 2a der Hülle 2 angeordnet. Diese Öffnung 4 ist direkt der Innenseite der Hülle zugewandt.
Die Öffnung 3 ist auf dem oberen Boden 2a der Hülle 2 neben der Öffnung 4 angeordnet, wobei sie ebenfalls der Innenseite der Hülle zugewandt ist.
Am Ende des Bodens 2b der Hülle 2 befindet sich die Öffnung 7, die direkt der Innenseite der Hülle 2 zugewandt ist.
Diese Öffnungen werden während der Herstellung gebildet: die Öffnung 3, das so genannte Mannloch, um die regelmäßige Inspektion des Inneren des Reaktorinneren zu ermöglichen, und die Öffnung 4 für den Einlass und die Öffnung 7 für den Auslass des Gases.
Innerhalb der Hülle 2 sind mehrere Wärmeaustauscher 9 mittels eines oder mehrerer Halteträger 5 abgestützt, die sich innerhalb der Hülle 2 befinden.
Da die Hülle 2 hohen Drücken und mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, wird sie in einer sehr widerstandsfähigen Struktur gebildet, mit einer begrenzten und genau notwendigen Anzahl von zur äußeren Umgebung führenden Öffnungen.
Die Zufuhr der Wärmeaustauscher 9 wird durch den Kanal 6 gewährleistet, der in die Hülle 2 durch die Öffnung 8 eingebracht wird, die im oberen Abschnitt der Seitenwand dieser Hülle gebildet ist; dieser Kanal 6 steht in Fluidverbindung mit den Austauschern 9.
Das Wärmeaustauschfluid, das durch den Kanal 6 eingeführt wird, fließt innerhalb der nachfolgend beschriebenen Platten 14, die jeder Austauscher 9 enthält.
Diese Austauscher 9 sind in eine katalytische Schicht 10 eingebettet, die in 1 schematisch durch unterbrochene Linien dargestellt ist.
Die katalytische Schicht 10 wird seitlich durch die innere Oberfläche der Hülle 2 begrenzt und an ihrem unteren Teil durch eine nicht gezeigte Schicht aus inertem Granulationsmaterial, das den unteren Boden 2b füllt und die katalytische Schicht 10 trägt.
Wenn die Reaktion zum Beispiel exotherm ist, wird bei einer solchen Anordnung der Wärmeaustauscher die Wärme, die durch die Reaktion erzeugt wird, die innerhalb der katalytischen Schicht 10 stattfindet, wirksam abgeführt, da diese von den gasförmigen Reaktionspartnern durchquert wird, wie nachfolgend gezeigt wird.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein mit Platten 14 ausgeführter Wärmeaustauscher 9 ausführlich dargestellt, der innerhalb eines Reaktors verwendet wird, der von einem Strom von Reaktionspartnern durchquert wird, der im Wesentlichen parallel zur Reaktorachse ist (axialer Strom).
Die Platten 14 umfassen Wände 14' und 14'', die jeweils nebeneinander gestellt und parallel zueinander sind, und enthalten in ihrem Inneren mehrere Kanäle 14a, in denen das Wärmeaustauschfluid parallel zur Reaktorachse fließt.
In dem Beispiel von 2 sind die Kanäle 14a seitlich durch Schweißnähte 16 voneinander abgetrennt, die sich auf den Wänden 14' und 14'' der Platten 14 befinden. Nur um die Figur verständlicher zu machen, ist das Seitenende der Platten 14 offen gezeigt, so dass die Innenseite eines jeweiligen Kanals 14a sichtbar ist. Es ist klar, dass sich an diesem Seitenende der Platten 14 auch Fixiereinrichtungen befinden, wie zum Beispiel die Schweißnähte 16.
Diese Kanäle 14a, die sich in den Platten 14 befinden, stehen in Fluidverbindung mit dem Kanal 12, der an der Oberseite des Wärmetauschers 9 angeordnet ist. Dieser Kanal 12 endet senkrecht in dem Kanal 17, von dem die Kanäle 17a abzweigen, die durch den Verteilerkanal 17b einzeln mit den Kanälen 14a verbunden sind.
Ein Kollektor 11, der durch die Kanäle 11a und 11b mit den Kanälen 14a in Fluidverbindung steht, ist an der Basis der Platten 14 und der damit zusammenhängenden Kanäle 14 angeordnet.
In Fluidverbindung mit dem Kollektor 11 und senkrecht zu diesem stehend verläuft ein Kollektor 11, der in der Öffnung 13 endet. In dem hier be schriebenen Beispiel steht die Öffnung 13 in Fluidverbindung mit dem Innenraum der Hülle 2 über der katalytischen Schicht 10.
Ein Verankerungsmittel befindet sich an einem oder an beiden Enden des Austauschers 9. Dieses Mittel umfasst zum Beispiel Halter 18 und 19, die eine entfernbare Befestigung des Wärmeaustauschers 9 an den Halteträgern 5 und benachbarten Austauschern 9 ermöglichen, um die Stabilität während des Arbeitsvorgangs vorteilhafterweise zu gewährleisten und gleichzeitig eine einfache Demontage während der Wartungsaktivitäten zu gewährleisten.
Unter Bezugnahme auf 3 ist eine alternative Ausführungsform für den Reaktor von 1 gezeigt, wobei innerhalb der Hülle 2 mehrere über einander liegende katalytische Schichten in Reihe nacheinander angeordnet sind. An jeder katalytischen Schicht 10 befinden sich vorteilhafterweise mehrere wie vorstehend beschriebene mit Platten ausgeführte Austauscher 9; diese Austauscher sind durch jeweilige Halteträger 5 gehaltert.
Jede katalytische Schicht 10 ist wiederum durch geeignete Haltemittel gehaltert, die in 3 nicht gezeigt sind, zum Beispiel durch jeweilige Schichten von inertem Granulationsmaterial oder durch jeweilige gasdurchlässige Böden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Reaktors gemäß 3, die nicht gezeigt ist, befindet sich innerhalb der Hülle 2 eine einzelne katalytische Schicht, in der die Austauscher 9, gehaltert durch die Träger 5, eingebettet sind.
In dem unteren Boden 2b der Hülle 2 befindet sich somit die Schicht aus inertem Granulationsmaterial zur Unterstützung des Katalysators.
Sowohl in dem Beispiel von 1 als auch in dem Beispiel von 3 können die Kanäle 15, die in Fluidverbindung mit der Basis der Kanäle 14a stehen, alternativ mit geeigneten Kollektoren – nicht gezeigt – verbunden sein, und zwar um das Wärmeaustauschfluid aufzunehmen und aus dem Reaktor ausströmen zu lassen.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die Kanäle 14a der Austauscher 9 senkrecht zur Achse des Reaktors 1 und dementsprechend zu den Wänden der Hülle 2 liegen. In diesem Fall wird der Reaktor 1 durch einen Strom aus Reaktionspartnern durchquert, der im Wesentlichen senkrecht zur Reaktorachse liegt (radialer Strom), und die Austauscher 9 sind radial angeordnet.
In dieser Figur werden die Merkmale des Reaktors 1, die bezüglich Struktur und Funktion äquivalent zu den in den vorhergehenden Figuren gezeigten Merkmalen sind, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht mehr beschrieben.
Die Platten 14 sind jeweils nebeneinander gestellt und parallel zueinander und umfassen in ihrem Inneren mehrere Kanäle 14a, in denen ein Wärmeaustauschfluid senkrecht zur Achse des Reaktors 1 fließt.
Die Kanäle 14a stehen durch den Kanal 12 und den ringförmigen Kanal 23 in Fluidverbindung mit dem Kanal 6 für die Zufuhr des Wärmeaustauschfluids. Der Kanal 6 endet innerhalb der Hülle 2 durch die Öffnung 21, die in einem unteren Teil derselben erhalten wird.
Darüber hinaus stehen die Kanäle 14a durch den Kanal 15 und den ringförmigen Kanal 27 in Fluidverbindung mit dem Auslasskanal 22 des Wärmeaustauschfluids. Der Kanal 22 kommt aus der Hülle 2 durch die Öffnung 8, die in dem oberen Abschnitt derselben erhalten wird.
Unter Bezugnahme auf 5 ist ein mit Platten 14 ausgeführter Wärmeaustauscher 9, der innerhalb des in 4 gezeigten Reaktors verwendet wird, ausführlich gezeigt.
Die Platten 14 umfassen Wände 14' und 14'', die jeweils nebeneinander gestellt und parallel zueinander sind, und die in ihrem Inneren mehrere Kanäle 14 umfassen, in denen ein Wärmeaustauschfluid senkrecht zur Reaktorachse fließt.
Die Kanäle 14a sind voneinander seitlich durch Schweißnähte 16 getrennt, die sich auf den Platten 14 befinden. Nur um die Figur verständlicher zu machen, ist das obere Ende der Platten 14 offen gezeigt, so dass die Innenseite eines jeweiligen Kanals 14a sichtbar ist. Es ist klar, dass sich an dem oberen Ende der Platten 14 auch Schließeinrichtungen befinden, wie zum Beispiel die Schweißnähte 16.
Die Kanäle 14a enden an den seitlichen Enden der Platten 14, jeweils in den Kanälen 17a und 11a. Der Kanal 17a steht wiederum durch den Verbindungskanal 17 in Fluidverbindung mit dem Kanal 12, der an der Basis des Austauschers 9 angeordnet ist. Dagegen steht der Kanal 11a durch den Kollektor 11 in Fluidverbindung mit dem Kanal 15, der sich am oberen Ende des Wärmeaustauschers 9 befindet.
An einem oder beiden Enden des mit Platten ausgeführten Wärmeaustauschers 9 befinden sich Einrichtungen, wie zum Beispiel Halter 18 und 19, die die Verankerung der Austauscher bereitstellen, wie bereits unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist.
Unter Bezugnahme auf 6 ist eine alternative Ausführungsform des Reaktors 1 von 4 gezeigt, die in ihrem oberen Abschnitt durch eine mit Flansch versehene, vollflächige Öffnung der Hülle 2 gekennzeichnet ist, die durch eine flache Abdeckung 2c geschlossen ist. In diesem Fall befindet sich die Öffnung – nicht gezeigt – für den Einlass der Reaktionsgase in dem oberen Abschnitt der Hülle 2.
Unter Bezugnahme auf 1 werden die gasförmigen Reaktionspartner für die Reaktion durch die Öffnung 4 in das Innere der Hülle 2 eingebracht und erreichen die katalytische Schicht 10, in der sich der Katalysator befindet, durchqueren diese Schicht, während sie reagieren, werden am unteren Ende 2b der Hülle 2 gesammelt und treten dann aus der Öffnung 7 aus.
Während des Durchquerens der katalytischen Schicht 10 reagieren die gasförmigen Reaktionspartner, wenn sie in Kontakt mit dem Katalysator kommen, und wenn die Reaktion exothermer Art ist, wird Wärme erzeugt.
Diese Wärme wird mittels eines indirekten Wärmeaustauschs abgebaut, das heißt, durch den Kontakt der Mischung aus reagiertem und nicht zur Reaktion gekommenem Gas mit den Platten 14 der Austauscher 9, die in die katalytische Schicht 10 eingebettet sind.
Innerhalb dieser Platten 14 fließt ein Kühlfluid, das je nach besonderem Fall ein Strom kalter Reaktionspartner, ein diathermisches Fluid, ein geschmolzenes Salz oder Wasser sein kann. Dieser Strom wird unter Bezugnahme auf 2 bei einer niedrigeren Temperatur zugeführt als der der Mischung aus reagiertem und nicht zur Reaktion gekommenem Gas, und zwar durch den Kanal 12, von dem aus es in den Kanal 17 und in die Kanäle 14a strömt, die innerhalb der Platten 14 definiert sind.
Nach dem Durchqueren der Platten 14, sobald der indirekte Wärmeaustausch stattgefunden hat, wird das ziemlich überhitzte Fluid durch den Kollektor 11 gesammelt und verlässt den Austauscher 9 durch den Kanal 15.
Genauer gesagt umfasst in dem Beispiel von 1 das Kühlfluid einen Strom aus Reaktionsgasen, die, wenn sie in dem Austauscher 9 auf geeignete Weise erwärmt sind, diesen durch die Öffnung 13 des Kanals 15 verlassen, der sich in dem Bereich befindet, der über der katalytischen Schicht 10 liegt, und werden dann mit den gasförmigen Reaktionspartnern gemischt, die durch die Öffnung 4 in den Reaktor 1 gelangen.
Mit anderen Worten steht das offene Ende 13 besonders für den Fall zur Verfügung, in dem die gasförmigen Reaktionspartner selbst als Kühlfluide verwendet werden; diese Gase werden dann durch die Öffnung 4 und teilweise auch durch den Kanal 6 zugeführt.
In dem Beispiel von 3 durchqueren die gasförmigen Reaktionspartner nacheinander eine Reihe von katalytischen Schichten 10. Vorteilhaft erweise kann die Reaktionstemperatur in jeder katalytischen Schicht 10 durch jeweilige Austauscher 9 Schicht für Schicht unabhängig voneinander geregelt werden. Somit ist es möglich, die Temperatur innerhalb der katalytischen Schicht 10 anzupassen, um die Gesamtumwandlungsausbeute zu optimieren.
Unter Bezugnahme auf die 4 und 6 ist der Weg der gasförmigen Reaktionspartner durch einen Pfeil F1 und der des Wärmeaustauschfluids innerhalb des Reaktors 1 durch einen Pfeil F2 schematisch dargestellt.
Die gasförmigen Reaktionspartner werden durch die Öffnung 4 der Hülle 2 zugeführt und fließen in den ringförmigen Luftspalt 24, der zwischen der inneren seitlichen Oberfläche der Hülle 2 und der gasdurchlässigen Wand 28 definiert ist. Durch diese Wand 28 erreichen die gasförmigen Reaktionspartner die katalytische Schicht 10, in der sich der Katalysator befindet. Diesbezüglich ist die katalytische Schicht 10 in ihrem oberen Teilbereich durch eine ringförmige Abdeckung konventioneller Art geschlossen, die nicht gezeigt ist.
Die gasförmigen Reaktionspartner durchqueren die katalytische Schicht 10, während sie reagieren, in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung bezüglich der Reaktorachse (radialer Strom). Sie strömen aus der katalytischen Schicht 10 durch die perforierte Wand 25 aus und werden innerhalb des Kollektors 29 gesammelt, der sich zentral in der Hülle 2 befindet und an seiner Oberseite durch eine Abdeckung 26 begrenzt ist, und verlassen den Reaktor 1 dann durch die Öffnung 7.
Alternativ ist die katalytische Schicht 10 an ihrer Oberseite geöffnet oder verfügt über ein gasdurchlässiges ringförmiges Gitter (nicht gezeigt), so dass die Reaktionsgase sie mit einer axial-radialen Bewegung durchqueren.
Während des Durchquerens dieser katalytischen Schicht 10 findet die Reaktion durch den Kontakt der Reaktionsgase mit dem Katalysator statt, und, wenn diese exotherm ist, wird Wärme erzeugt.
Diese Wärme wird mittels eines indirekten Wärmeaustausches abgebaut, das heißt, durch den Kontakt der Mischung von reagiertem und nicht zur Reaktion gekommenem Gas mit den Platten 14 der Austauscher 9, die in die katalytische Schicht 10 eingebettet sind.
Tatsächlich fließt innerhalb dieser Platten 14 ein Kühlfluid der vorstehend erwähnten Art, das, immer unter Bezugnahme auf die 4 und 5, bei einer niedrigeren Temperatur zugeführt wird als die der Mischung von reagiertem und nicht zur Reaktion gekommenem Gas, und zwar durch den Kanal 6, von dem es in den Kanal 23 strömt, dann in den Kanal 12, wonach es, nachdem es durch die Kanäle 17a verteilt wurde, in die Kanäle 14a der Platten 14 fließt.
Nach dem Durchqueren der Platten 14, sobald der indirekte Wärmeaustausch stattgefunden hat, wird dieses ziemlich überhitzte Fluid durch die Kanäle 11a gesammelt, strömt durch den Kollektor 11, die Kanäle 15 und 27 und verlässt die Hülle 2 durch den Kanal 22.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden vorteilhafterweise mit Platten ausgeführte Wärmeaustauscher 9 verwendet, da sie ermöglichen, dass ein wirksamer Wärmeaustausch stattfindet, und zwar dank der vergrößerten Oberfläche, die durch die Platten 14 zur Verfügung gestellt wird, auf die die gasförmigen Reaktionspartner auftreffen, die die katalytische Schicht durchqueren.
Tatsächlich ist es im Fall von zum Beispiel einer exothermen Reaktion wünschenswert, dass die übermäßige Wärme, die während des Durchquerens der katalytischen Schicht 10 entwickelt wird, durch die gasförmigen Reaktionspartner abgebaut wird.
Dadurch kann die Temperatur der katalytischen Schicht 10 innerhalb eines bestimmten Bereiches gehalten werden, um eine hohe Reaktionsausbeute zu erzielen und auch, um zu verhindern, dass der Katalysator durch die hohen Temperaturen, die erreicht werden, eine übermäßige thermische Belastung durchmacht.
Darüber hinaus sind diese Austauscher leicht herzustellen, zu installieren und vor allem einfach zu warten, was auf die einfache Struktur zurückzuführen ist, durch die sie gekennzeichnet sind.
Gemäß einer Ausführungsform sind diese Austauscher 9 auch dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Querschnitt von solcher Abmessung haben, dass sie durch das Mannloch 3 oder die Öffnung 4 eingeführt werden können.
Dieses Merkmal ist besonders vorteilhaft, um die Wartungsarbeiten an den Austauschern 9 von Reaktoren wie denen, die in den 1, 3 und 4 gezeigt sind, vorzunehmen, d.h. die Zugangsöffnungen mit einem geringeren Durchmesser als dem der Hülle 2 umfassen.
Darüber hinaus kommt es bei den nachfolgend beschriebenen Bedingungen zu Fällen, bei denen ein solches charakteristisches Profil der Austauscher 9 besonders nützlich sein kann, um weitere wichtige Vorteile zu erzielen.
Ein erster Vorteil, der so erzielt wird, besteht darin, dass unter bestimmten Bedingungen, die später ausführlich besprochen werden, ein perfekt funktionierender Reaktor gewonnen wird, indem ein bereits bestehender, nicht verwendeter Reaktor erneuert wird.
Hierbei ist zu beachten, dass die Hülle eines gattungsgemäßen Reaktors aufgrund der Anforderungen, die sie zu erfüllen hat, mit Verfahren und Materialien hergestellt wird, die einen ausreichenden Widerstand gegen Drücke, Temperatur und Angriffe durch chemische Substanzen von innen während der Prozessschritte gewährleisten.
Um manche Prozesse durchzuführen ist es tatsächlich erforderlich, hohe Arbeitsdrücke und hohe Temperaturen zu verwenden und extrem korrodierende oder schädliche Substanzen zur Reaktion zu bringen.
Demzufolge sind die technologischen Schwierigkeiten für die Herstellung einer Hülle relevant und deren Kosten sind hoch.
Daraus folgt, dass eine Hülle aufgrund der bereits erwähnten Widerstandseigenschaften eine Struktur ist, die über lange Zeiträume verwendet werden kann, auch wenn die strukturell empfindlichere innere Ausstattung, die die Austauscher und die katalytische Schicht umfasst, nicht mehr verwendet wird.
Es gibt Fälle, in denen eine Hülle wie die in 1 gezeigte verfügbar ist, die aber, da sie in ihrem Inneren eine veraltete Ausstattung hat, in ihrer Gesamtstruktur, einschließlich des Reaktors, nicht mehr verwendet wird, obwohl die Außenhülle möglicherweise noch für einen längeren Zeitraum verwendet werden könnte.
In solchen Fällen ist es dann von Vorteil, die innere, veraltete Ausrüstung mit den vorstehenden Wärmeaustauschern 9 auszustatten, die durch die Öffnung 3 oder die Öffnung 4 eingeführt werden.
Neben dem Vorteil, der erzielt wird, indem ein veralteter Reaktor wieder aufgearbeitet wird, besteht ein zweiter Vorteil darin, einen umgerüsteten hochwirksamen isothermen Reaktor zu erhalten, sowohl, wenn das Original adiabatisch als auch isotherm war.
Dieser weitere Vorteil, der nicht weniger wichtig als der vorhergehende ist, gewährleistet, dass sowohl exotherme als auch endotherme katalytische Reaktionen optimal ausgeführt werden, wobei diese Reaktionen bekannterweise in isothermen Reaktoren wirksamer durchgeführt werden als in adiabatischen Reaktoren.
Deshalb gewährleistet eine solche Erneuerung nicht nur die Wiederherstellung eines nicht verwendeten Reaktors, sondern auch die Umwandlung desselben, falls er adiabatisch war, in einen isothermen Reaktor, der für die vorstehend genannten Reaktionen besonders geeignet ist.
Die vorstehende Wiederherstellung ist eine vollständige Erneuerung des Reaktorinneren, wobei diese Erneuerung keine Modifizierung der Hülle 2 erfordert, die besonders bei Reaktoren, die mit hohem Druck arbeiten, nicht wünschenswert ist.
Es ist nützlich, zu wiederholen, dass diese Austauscher für die vollständig neue Konstruktion eines Reaktors für exotherme oder endotherme katalytische Reaktionen verwendet werden können, wie bereits umfassend erklärt wurde, aber auch für den Umbau eines bestehenden Reaktors mit den vorstehenden Merkmalen auf den neuesten Stand, insbesondere von der Bauart, die einen oberen Boden mit Zugangsöffnungen hat, deren Durchmesser kleiner sind als die der Hülle.
In diesem letzen Fall werden die Austauscher 9 der vorstehend erwähnten Bauart vorteilhafterweise durch das Mannloch (Öffnung 3) in den bestehenden Reaktor eingeführt oder, je nach dem jeweiligen Fall, durch die Einlassöffnung für die Reaktionsgase (Öffnung 4). Darüber hinaus werden die bestehenden seitlichen Öffnungen in der Hülle 2 (wie zum Beispiel die Öffnung 8) genutzt, um in den Reaktor Zufuhrkanäle einzuführen oder optional, um das Wärmeaustauschfluid zu entfernen.
Alle vorstehend aufgeführten Vorteile, die sich auf einen neuen Reaktor beziehen, werden durch eine bereits bestehende Struktur erzielt, die wie vorstehend beschrieben unter relevanten Einsparungen erneuert wird.

Claims

Reaktor (1) zum Ausführen von exothermen oder endothermen heterogenen Reaktionen, Folgendes umfassend: – eine Außenhülle (2) von im Wesentlichen zylindrischer Form, die an ihren Enden durch einen jeweiligen oberen bzw. unteren Boden (2a, 2b) verschlossen ist, wobei der obere Boden (2a) mit zumindest einer Öffnung (3, 4) mit einem Durchmesser versehen ist, der kleiner als der Durchmesser der Hülle (2) ist; – mehrere Wärmeaustauscher (9), die in eine katalytische Schicht (10) eingebettet sind, welche in der Hülle (2) abgestützt ist; dadurch gekennzeichnet, dass: die Wärmeaustauscher (9) mit Platten (14) ausgeführte Wärmeaustauscher mit einem Querschnitt von solcher Abmessung sind, dass sie durch die Öffnung (3, 4) eingeführt werden können, wobei die Wärmeaustauscher (9) über Verankerungsmittel (18, 19) entfernbar an Halteträgern (5) und an benachbarten Austauschern (9) befestigt sind.
Reaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (14) der Austauscher (9) Kanäle (14a) umfassen, die sich parallel zur Achse der Hülle (2) erstrecken.
Reaktor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (14) der Austauscher (9) jeweilige nebeneinander gestellte Wände (14', 14'') umfassen, die zwischen sich die Kanäle (14a) definieren, welche sich parallel zur Achse der Hülle (2) erstrecken.
Reaktor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (2) mehrere der Wärmeaustauscher (9) haltert, die in Fluidverbindung mit einem Zufuhrkanal (6) für ein Wärmeaustauschfluid stehen.
Reaktor (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass er Verankerungsmittel (18, 91) von wenigstens einem der Austauscher (9) umfasst.
Reaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (14) der Austauscher (9) Kanäle (14a) umfassen, die sich senkrecht zur Achse der Hülle (2) erstrecken.
Reaktor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (14) der Austauscher (9) jeweilige nebeneinander gestellte Wände (14', 14'') umfassen, die zwischen sich die Kanäle (14a) definieren, welche sich senkrecht zur Achse der Hülle (2) erstrecken.
Reaktor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (2) mehrere der Wärmeaustauscher (9) haltert, die in Fluidverbindung mit einem Zufuhrkanal (6) für ein Wärmeaustauschfluid stehen.
Reaktor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscher (9) in der katalytischen Schicht (10) radial angeordnet sind.
Reaktor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er Verankerungsmittel (18, 91) von wenigstens einem der Austauscher (9) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Reaktors (1) zum Ausführen von endothermen oder exothermen heterogenen Reaktionen, folgende Schritte umfassend: – Bergen einer im Wesentlichen zylindrischen Hülle eines bestehenden Reaktors, die an ihren Enden durch einen jeweiligen oberen bzw. unteren Boden verschlossen ist, wobei der obere Boden mit zumindest einer Öffnung mit einem Durchmesser versehen ist, der kleiner als der Durchmesser der Hülle ist; – Anordnen von wenigstens einer katalytischen Schicht (10) innerhalb der geborgenen Hülle; – Anordnen von mehreren Plattenwärmeaustauschern (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in der mindestens einen katalytischen Schicht (10), wobei die Wärmeaustauscher (9) mit Platten (14) ausgeführte Wärmeaustauscher mit einem Querschnitt von solcher Abmessung sind, dass sie durch die Öffnung (3, 4) eingeführt werden können, und über Verankerungsmittel (18, 19) entfernbar an Halteträgern (5) und an benachbarten Austauschern (9) befestigt sind.