DD249642A5

DD249642A5 - Stehender reaktor fuer katalytische exotherme und endotherme reaktionen, insbesondere zur herstellung von methanol, ammoniak, synthesegas und hoeheren alkoholen

Info

Publication number: DD249642A5
Application number: DD86294644A
Authority: DD
Inventors: Frohmut Vollhardt; Hans-Dieter Kraemer
Original assignee: Man Gutehoffnungshuette Gmbh,De
Priority date: 1985-09-27
Filing date: 1986-09-24
Publication date: 1987-09-16
Also published as: UA6019A1; SU1519524A3; JPS6274447A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen stehenden Reaktor fuer katalytische exotherme und endotherme Reaktionen, insbesondere zur Herstellung von Methanol, Ammoniak, Synthesegas und hoeheren Alkoholen, mit einem das Katalysatorbett aufnehmenden Gehaeuse und das Gehaeuse parallel zu dessen Laengsachse durchsetzenden, ein Rohrpaket bildenden Austauscherrohren, mit einem das Katalysatorbett tragenden, gasdurchlaessigen Boden sowie mit die Gehaeusehaube und den Gehaeuseboden durchsetzenden Zu- und Abfuehrrohren fuer das Kuehl- bzw. Heizmedium, die in horizontale Verteiler- und Sammelrohre muenden sowie mit Zu- und Ableitungen fuer das Reaktionsgas. - Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die oberen und unteren Enden gerader oder im wesentlichen gerader Austauscherrohre (17; 18) des Rohrpakets in unterhalb und oberhalb der Sammel- bzw. Verteilerrohre (6; 7 bzw. 37; 38) angeordnete, zueinander parallele horizontale Tragrohre (14; 23) muenden, die ueber Zwischenrohre (9-12; 34-36) mit den symmetrisch zur oder in der Quermitte der Tragrohre (9-12; 34-36) angeordneten Sammel- oder Verteilerrohren (6; 7 bzw. 37; 38) verbunden sind. Fig. 1

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen stehenden Reaktor für katalytische exotherme und endotherme Reaktionen, insbesondere zur Herstellung von Methanol, Ammoniak, Synthesegas und höheren Alkoholen, mit einem das Katalysatorbett aufnehmenden Gehäuse parallel zu dessen Längsachse durchsetzenden, ein Rohrpaket bildenden Austauschrrohren, mit einem das Katalysatorbett tragenden, gasdurchlässigen Boden sowie die Gehäusehaube und den Gehäuseboden durchsetzenden Zu- und Abführrohren für das Kühl- bzw. Heizmedium, die in horizontale Verteiler- und Sammelrohre münden sowie mit Zu- und Ableitungen für das Reaktionsgas.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Durch die DE-OS 3332049 ist ein Reaktor für katalytische exotherme Reaktionen, insbesondere zur Herstellung von Methanol, bekannt. Bei ihm erstreckt sich von einer oberen Sammelringleitung zu einer unteren Verteilerringleitung ein Flossenrohrmantel, dessen Rohre im oberen und unteren Abschnitt des Reaktors als verstärkte Rohrabschnitte ausgebildet sind. In diese münden sog. Henkelrohre, deren vertikale Abschnitte Gassen bilden, in denen die Reaktormasse Platz findet, die auf einem Netz im unteren Bereich des Ofens aufsitzt.

Dieser Reaktor erfordert jedoch einen relativ hohen technischen Aufwand, Reparaturen sind häufig mit größeren Schwierigkeiten verbunden.

Ziel der Erfindung

Mit der Erfindung sollen die Mängel des Standes der Technik beseitigt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Reaktor der eingangs genannten Art eine billigere und konstruktiv einfachere Ausbildung des Tauscherrohrpakets zu schaffen, bei dem eine statisch vorteilhaftere Verbindung der Austauscherrohre mit den Sammel- und Verteilerrohren und eine bessere Reparaturmöglichkeit, insbesondere an den Einschweißstellen der Rohre in die Sammler bzw. Zwischenteile derselben gegeben ist.

Erfindungsgemäß wird bei einem Reaktor der eingangs genannten Art diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die oberen und unteren Enden gerader oder im wesentlichen gerader Austauscherrohre des Rohrpakets in unterhalb und oberhalb der Sammel- bzw. Verteilerrohre angeordnete, zueinander parallele horizontale Tragrohre münden, die über Zwischenrohre mit den symmetrisch zur oder in der Quermitte derTragrohre angeordneten Sammel- und Verteilerrohren verbunden

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen Sammel- und Verteilerrohre gekrümmt ausgebildet sind und je ein Rohr in einer Querschnittshälfte des Reaktors angeordnet ist, wobei die Rohre symmetrisch zur Quermittelebene des Reaktors angeordnet sind.

Zweckmäßig wird die Anordnung so getroffen, daß die in die Trag rohre mündenden Austauscherrohre des Rohrpakets " unter Bildung einer seitlichen Ausbauchung paarweise in die Tragrohre münden, wobei die Ausbauchungen eines Rohrpaares in einer rechtwinklig zur Längsachse derTragrohre gelegenen Ebene voneinander fort gerichtet sind.

Es ist günstig, die oberen und unteren Enden der Rohre paarweise über Hosenstückrohre in die Tragrohre münden zu lassen.

Zweckmäßig sind unter- bzw. oberhalb derTragrohre horizontale Kopf- und Fußrohre angeordnet, die in die mit den Trag rohren verbundenen Austauscherrohre münden und in die weitere senkrechte gerade Tauscherrohre des Rohrpaketes ihrerseits münden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung münden die Kopf- und Fußrohre unmittelbar unterhalb bzw. oberhalb der seitlichen Ausbauchungen der mit den Tragrohren verbundenen Austauscherrohre in diese.

Die Zwischenrohre eines Tragrohres sind vorzugsweise zu mehreren symmetrisch zur vertikalen Mittelebene und parallel, in gleichem Abstand an den Sammel- und Verteilerrohren angeordnet.

Ein Reaktor mit einem von dem Rohrpaket getragenen gasdurchlässigen Katalysatorboden ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß der Boden aus mehreren einzeln verstellbaren Bodenabschnitten gebildet ist.

Die Bodenabschnitte bestehen bevorzugt aus Einzelelementen, die mit Hilfe von an den unteren Tragrohren gelagerten Einzelwellen schwenkbar sind.

Bei dem bekannten, den Gattungsbegriff bestimmenden Reaktor übten die Henkelrohre ein Moment auf die Rohre des Flossenrohrmantels aus. Ferner war es bei diesen Rohren schwierig, an die Schweißstellen der nahe beieinander liegenden Einmündungen der horizontalen Schenkel der Henkelrohre in die Verstärkungen der Flossenrohre des Mantels heranzugelangen. Bei Reparatur nur einiger Austauscherrohre bedurfte es des Heraushebens des gesamten Rohrpaketes aus dem Flossenrohrmantel. — Die Austauscherrohre des erfindungsgemäßen Reaktors dagegen üben auf die sie tragenden und mit ihnen verbundenen Teile ausschließlich eine vertikale Kraft aus; die Verbindungsstellen der Austauscherrohre mit den Tragrohren sind leicht von oben oder unten zugänglich, wie auch das Auswechseln mehrerer Austauscherrohre möglich ist, ohne das gesamte Rohrpaket aus dem Reaktor herausheben zu müssen. —Auch läßt sich das Abziehen der Reaktormasse aus dem durch eine ringförmige Schürze umschfossenen Innenraum des Reaktors, der die Austauscherrohre aufnimmt, leicht und gezielt vornehmen.

Ausführungsbeispiel

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Reaktors nach der Erfindung zur Durchführung einer exothermen Reaktion, z. B. für die Herstellung von Methanol, dargestellt und zwar zeigt:

Fig. 1: einen vertikalen Längsschnitt durch den Reaktor in zwei zueinander senkrechten Ebenen,

Fig. 2: einen horizontalen Querschnitt durch den oberen Abschnitt des Reaktors,

Fig.3: einen Querschnitt durch den mittleren und

Fig.4: einen horizontalen Querschnitt durch den unteren Abschnitt des Reaktors,

Fig. 5 und_6j_ in vergrößertem Maßstab gegenüber Fig. 1 den unteren Reaktorbereich mit dem die Reaktormasse tragenden ,

-'^: Boden und ~

Fig.7: eine Besonderheit dieses Bodens.

Der Reaktor 1 weist einen zylindrischen Druckmantel 2 auf, an den sich nach oben die Haube 3 und nach unten der gleichfalls gewölbte Boden 4 anschließen. Durch Durchführungsstücke 5 ragen Abführrohre 6 für das erwärmte Medium in das Innere des Reaktors 1 und münden dort in zwei horizontale gewölbte Sammelrohre 7; 8. Im dargestellten Beispiel sind die beiden Rohre 7; 8 symmetrisch zur Quermittelebene Q des Reaktors angeordnet.

Von den gekrümmten Sammelrohren 7; 8 gehen Zwischen rohre 9; 10; 11; 12ab, die z.B. zu viert in einer gemeinsamen Ebene liegen und paarweise symmetrisch zur senkrechten Mittelebene 13 der Rohre 7; 8 angeordnet sind sowie in gleichmäßigen Abstand in Tragrohre 14 münden. Diese erstrecken sich in horizontaler Ebene und gleichem Abstand parallel zueinander. Statt der beiden Sammelrohre 7; 8 ist es möglich, in der Quermittelebene Q ein einziges Rohr vorzusehen, von dem aus wieder Zwischenrohre, ähnlich den Zwischenrohren 9 bis 12, ausgehen, die in die Tragrohre 14 münden. Hierbei jedoch ist zu berücksichtigen, daß eine solche Ausbildung hohe Anforderungen an ein solches mittleres Sammelrohr stellt, an dem, wie unten noch näher beschrieben wird, das gesamte Paket aus Wärmetauscherrohren hängt. — Es ist daher die Unterteilung eines solchen einzigen Rohres in die beiden, in Fig.2 dargestellten gekrümmten Tragrohre 7; 8 vorteilhaft, die ihrerseits symmetrisch zur Mittelebene Q angeordnet sind und sich über die Mitte der Rohrhälften der Rohre 6 erstrecken, d. h. sich in der Mitte oberhalb der hälftigen Rohrlängen A, A' und A" z. B. erstrecken (Fig. 2).

Hierbei münden die Zwischenrohre 9 bis 12 im unteren und mittleren Bereich der Sammelrohre 7; 8 in diese, in den unteren Bereich der oberen Tragrohre 14 münden die Enden 15; 16 von Wärmeaustauscherrohren 17; 18. Hierbei sind die Enden 15; 16, wie Fig. 1 erkennen läßt, nach außen ausgebaucht, wodurch eine vorteilhafte Verbindung der Rohre 17; 18 mit den Tragrohren 14 erfolgen kann. Die als Haupttragaustauscherrohrezu bezeichnenden Rohre 17; 18 sind einerseits im Abstand a angeordnet, andererseits sind sie in Längsrichtung der Tragrohre im Abstand b mit diesen verbunden.—Zwischen dem oberen Abschnitt im Abstand a benachbarter Rohre 17; 18 erstrecken sich kurz unterhalb der seitlichen Ausbauchung Kopfrohre 19, an denen weitere Austauscherrohre 20 im Abstand b hängen, die parallel zu den Rohren 17; 18 verlaufen, so daß, wie Fig. 3 erkennen läßt, im horizontalen Querschnitt des Reaktormittelabschnitts ein geschlossenes Feld von parallelen senkrechten Austauscherrohren 17,18 und 20 gebildet wird, die gleichen Abstand voneinander haben und zwischen denen die Katalysatormasse Platz findet.

Das untere Ende 21; 22 derTragaustauscherrohre 17; 18 mündet in untere Tragrohre 23, die die gleiche Anordnung besitzen wie die oberen Tragrohre 14. Die Enden 21; 22 derTragaustauscherrohre 17; 18 sind hierbei in gleicher Weise ausgebildet wie die oberen Enden 15; 16 dieser Rohre, wie auch zwischen im Abstand a benachbarten Rohren 21; 22 ein Fußrohr 24 vorgesehen ist, in das die unteren Enden der Austauscherrohre 20 münden. — Statt der seitlichen Ausbauchungen der oberen und unteren Enden der Rohre 17; 18, können die genannten Enden auch über Hosenstücke in die Tragrohre 14; 23 münden. Die unteren, parallel zu den oberen Tragrohren 14 verlaufenden unteren Tragrohre 23 weisen an ihrer Unterseite Lageransätze 25 auf, die in Querrichtung der Rohre 23 miteinander fluchten und zu mehreren über die Länge jedes Tragrohres 23 angeordnet sind. Zwischen benachbarten, miteinander fluchtenden Ansätzen 25 sind Achsen 26 angeordnet, an denen nebeneinander Elemente 27 befestigt sind, die in Gruppen — in dargestelltem Beispiel zu viert-, einen Abschnitt 28 des Katalysatorbodens bilden, wobei dieser Abschnitt in hochgeklappter Wirkstellung 27 (Fig. 5 und 6 in ausgezogener Linie) in einer Ebene e liegt. Die Elemente 27 der Abschitte 28, die den Katalysatorboden bilden, sind gasdurchlässig. Die jeweils äußeren Elemente 27 a; 27 b eines Abschnitts 28 liegen in hochgeklapptem Zustand der Abschnitte an den Rohren 23 an. — Die Katalysatormasse ruht auf den Abschnitten 28, die in der Draufsicht ein Quadrat mit einer Kantenlänge bilden, die etwas geringer als der Abstand a ist. Die der Achse 26 benachbarte Rückseite 29 weist einen Rücksprung 30 auf, während die der Achse 26 abgekehrte Vorderseite 31 jedes Elementes 27 einen nasenartigen Vorsprung 32 trägt. Die Ausbildung und Anordnung des Vorsprunges 32 und des Rücksprunges 30 ist so getroffen, daß in der hochgeklappten Wirkstellung der Abschnitte 28 diese sich durch Ineinandergreifen benachbarter Vor- und Rücksprünge in ihrer Lage halten, wobei der letzte Abschnitt jeder Reihe (in Fig. 1 der am linken Zeichnungsrand) zu denkender Abschnitt festgelegt ist. Wird dieser gelöst und schwenkt nach unten, so kommt zunächst der

Vor- und Rücksprung des diesem ersten Abschnitt benachbarten Abschnitts außer Eingriff, so daß dieser zwischen die Rohre nach unten schwenkt und dies alle übrigen Abschnitte tun, deren Achsen miteinander fluchten, so z. B. die Achsen 26', 26", 26'" in Fig.5 usw.

Die unteren Tragrohre 23 sind über Zwischenrohre 34; 35; 36 mit zwei Verteilerrohren 37; 38 verbunden, die symmetrisch zur Quermittelebene Q angeordnet sind und in die Hälfte aller Zwischenrohre 34; 35; 36 münden. Die Verteilerrohre sind mit den Zuführungsrohren 40 verbunden, die jeweils durch ein Durchführungsstück 41 des Bodens 4 des Reaktors geführt sind. Dieser weist den Austrittsstutzen 42 für das in Pfeilrichtung K zuströmende Medium auf, das durch den Stutzen 43 der Haube 3 in Pfeilrichtung S in den Reaktor eintritt.

Das Austauscherrohrpaket aus den Rohren 17 bis 20 ist von einer Schürze 44 umschlossen.

In Fig.7 ist der mittlere Abschnitt des unteren, den Katalysatorboden aufnehmenden Bereichs des Reaktors dargestellt, wie er vorteilhafterweise bei Anwendung der vorstehend beschriebenen schwenkbaren Bodenabschnitte 28 ausgebildet werden kann.

Parallel zu den Einzelwellen 26 erstreckt sich in der senkrechten Reaktormittelebene W über den gesamten Reaktorquerschnitt eine horizontale durchgehende Welle 45, die durch nicht dargestellte Mittel drehbar ist und mindestens im Abstand der einzelnen Bodenabschnitte 28 voneinander Stützkörper 46 trägt, die drehfest mit der Welle 45 verbunden sind. Diese Stützkörper weisen mit ihrer symmetrisch zur senkrechten Mittelachse der Welle 45 und der Reaktormittelebene W zwei Stützflächen 47; 48 auf, auf denen sich Stützflächen 49; 50 der einander zugekehrten Elemente 27 der mittleren Bodenabschnitte 28 abstützen, wobei die Anordnung der Abschnitte so getroffen ist, daß sich diese beidseitig der Ebene W in entgegengesetzter Richtung verschwenken lassen. (Vgl. Pfeile x, y in Fig.7). Die Welle 45 mit den Stützflächen stellt eine Art Waagebalken dar. — Beim Drehen der Welle z.B. entgegen dem Uhrzeigersinn wird zunächst der rechte-Abschnitt28a frei. Beim Weiterdrehen kommt dann auch der Bodenabschnitt 28 b frei. — Klemmen die Bodenabschnitte 28 z. B. infolge Backens der Katalysatormasse, so stoßen die entsprechenden Randbereiche der Stützkörper 46 gegen Ansätze oder Nocken 51; 52 am unteren Ende der Stützflächen 49; 50 der Elemente 27 bzw. der Abschnitte 28. Zum Öffnen des jeweils zweiten Abschnitts 28 ist hierbei ein Drehen der Welle 45 um 90° notwendig.

Der Bereich 53 zwischen den geschwungenen Vorderseiten 54; 55 der in der Reaktormitte einander benachbarten Abschnitte 28a; 28b ist durch einen dachartigen Teil 56 abgedeckt, dessen Schenkelteile 57; 58 den Vorderseiten 54; 55 der Elemente 27 angepaßt sind.

Zur Durchführung einer endothermen Reaktion werden die Austauscherrohre 17; 18 mit einem Heizmedium beaufschlagt; die Sammel- und Verteilerrohre 6; 7 bzw. 37; 38 sind mit entsprechenden Zu- und Ableitungen verbunden.

Claims

1. Stehender Reaktor für katalytische exotherme und endotherme Reaktionen, insbesondere zur Herstellung von Methanol, Ammoniak, Synthesegas und höheren Alkoholen, mit einem das Katalysatorbett aufnehmenden Gehäuse und das Gehäuse parallel zu dessen Längsachse durchsetzenden, ein Rohrpaket bildenden Austauscherrohren, mit einem das Katalysatorbett tragenden, gasdurchlässigen Boden sowie mit die Gehäusehaube und den Gehäuseboden durchsetzenden Zu- und Abführrohren für das Kühl- bzw. Heizmedium, die in horizontale Verteilerund Sammelrohre münden sowie mit Zu- und Ableitungen für das Reaktionsgas, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Enden gerader oder im wesentlichen gerader Austauscherrohre (17; 18) des Rohrpakets in unterhalb und oberhalb der Sammel- bzw. Verteiierrohre (6; 7 bzw. 37; 38) angeordnete, zueinander parallele horizontale Tragrohre (14; 23) münden, die über Zwischen rohre (9-12; 34-36) mit den symmetrisch zur oder in der Quermitte der Tragrohre (9-12; 34-36) angeordneten Sammel- oder Verteilerrohren (6; 7 bzw. 37; 38) verbunden sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen Sammel- und Verteilerrohre (6; 7 bzw. 37; 38) gekrümmt ausgebildet sind und je ein Rohr in einer Querschnittshälfte des Reaktors (1) angeordnet ist, wobei die Rohre symmetrisch zur Quermittelebene des Reaktors angeordnet sind.

3. Reaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Tragrohre (14; 23) mündenden Austauscherrohre (17; 18) des Rohrpakets unter Bildung einer seitlichen Ausbauchung (15; 16, 21; 22) paarweise in die Tragrohre.(14; 23) münden, wobei die Ausbauchungen eines Rohrpaares (17; 18) in einer rechtwinklig zur Längsachse der Tragrohre (14; 23) gelegenen Ebene voneinander fort gerichtet sind.

4. Reaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Enden der Rohre (17; 18) paarweise über Hosenstückrohre in die Tragrohre (14; 23) münden.

5. Reaktor nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß unter- bzw. oberhalb der Trag rohre (14; 23) horizontale Kopf- und Fußrohre (19; 24) angeordnet sind, die in die mit den Tragrohren verbundenen Austauscherrohre (17; 18) münden und in die weitere senkrechte gerade Tauscherrohre (20) des Rohrpaketes ihrerseits münden.

6. Reaktor nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopf- und Fußrohre (19; 24) unmittelbar unterhalb bzw. oberhalb der seitlichen Ausbauchungen der mit den Tragrohren (14; 23) verbundenen Austauscherrohre (17; 18) in diese münden.

7. Reaktor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenrohre (9-12; 34-36) eines Tragrohres (14; 23) zu mehreren symmetrisch zur vertikalen Mittelebene und parallel, in gleichem Abstand an den Sammel- und Verteilerrohren (7; 8 bzw. 37; 38) angeordnet sind.

8. Reaktor nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, mit einem von dem Rohrpaket getragenen gasdruchlässigen Katalysatorboden, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden aus mehreren einzeln verstellbaren Bodenabschnitten (28) gebildet ist.

9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenabschnitte (28) aus Einzelelementen (27) bestehen, die mit Hilfe von an den unteren Tragrohren (23) gelagerten Einzelwellen (26) schwenkbar sind.

10. Reaktor nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorder-und Rückseite (29; 31) der Bodeneinzelelemente (27) mit hakenförmigen Vorsprüngen (32) und entsprechenden — Rücksprüngen (30) versehen sind, die bei geschlossenem Boden ineinandergreifen.

11. Reaktor nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beidseitig der senkrechten Reaktormittelebene (W) gelegenen Bodenschnitten (28a; 28b) des Rohrbodens in entgegengesetzter Richtung (x; y) schwenkbar sind.

12. Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden beiderseits der senkrechten Reaktormittelebene (W) und parallel zu den Einzelwellen (26) der Abschnitte (28) angeordnete Bodenabschnitte (28a; 28b) sich auf gemeinsame schwenkbare Stützkörper (46) abstützen.

13. Reaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens im Abstand der Bodenabschnitte (28a; 28b) zu jeder Seite der Reaktormittelebene (W) angeordneten Stützkörper (46) durch eine gemeinsame Welle (45) in der senkrechten Reaktormittelebene schwenkbar sind und Stützflächen (47; 48) aufweisen, auf denen Stützflächen (49; 50) der Bodenabschnitte (28a; 28b) aufliegen.

14. Reaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende der Stützflächen (49; 50) der Bodenabschnitte (28a; 28b) mit Ansätzen oder Nocken (51; 52) versehen sind.

15. Reaktor nach Anspruch 11-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (45) zwischen den Bodenabschnitten (28a; 28b) von einem dachartigen Teil (56) überdeckt ist.