2. 10
pró započetí vlastní reakce.
ČEskoslovENSKÁ SOCIALISTICKÁ REPUBLIKA
R A D P R O PATENTY A VYNÁLEZY
Vydáno 15. července 1961 Vyloženo 15. ledna 1961
PATENTNÍ SPIs č.
100261
Právo k využití vynálezu přísluší státu podle 3 odst. 6 zák. .
34/1957 Sb.
Inž. MIRKO BAUMANN, inž. ZDENĚK BUREŠ a inž. EDUARD VESELÝ,
, všichni PRAHA
Způsob a zařízení k provádění exotermních reakcí při zvýšených tlacích,
jako např. synthesy čpavku
Přihlášeno 2. března 1960 (PV 1407-60) .
Platnost patentu od 2. března 1960 .
Předmětem vynálezu je způsob a ząřízení k provádění exotermních reakcí při zvýšených tlacích,
jako např. synthesy čpavku, u něhož katalysátorové lože je opatřeno chladicími elementy, vytvořenými
svaz- kem Fieldových trubek, zasunutých do náplně kontaktní hmoty shora,
přičemž vnitřní trubky jsou dvojité, a to buď po celé délce, nebo jen
na části celkové délky vnějších trubek a chladicí synthesní směs proudí nejdříve mezikruhovými prostory
Fieldových trubek v souhlasném směru s tokem reakční směsi náplní katalysátoru, načež vtéká do
vnitřních chladicích trubek, jimiž protéká v protiproudu vzhledem k reagujícím plynům. -
Účelem vynálezu je zajištění výhodného průběhu teplot ve směru toku reakčních plynů, blízkého
nejvýhodnějšímu průběhu teplot, kterému odpovídají vysoké hodnoty reakční rychlosti a tedy malý objem
katalysátoru, potřebný pro požadovaný stupeň přeměny a vysoké vy
užití reakčního prostoru při současném dosažení vysoké teploty synthesní směsi na
vstupu do náplně katalysátoru, a tím zlepšení podmínek
Při chemických reakcích, jako např. při synthese čpavku, se uvolňuje teplo,
jehož množství je při daném pracovním tlaku a teplotě závislé na přírůstku
obsahu produktu v reakční směsi. Zvyšování stupně

5. 40
2 100261
přeměny v osovém směru katalytického lože synthesního reaktoru je určeno průběhem reakční
rychlosti. Při uvažovaných provozních podmínkách, tj. tlaku a teplotě, závisí rychlost, s níž
reakce probíhá, na složení synthesní směsi, takže nižšímu obsahu amoniaku v reakčních
plynech odpovídá vyšší hodnota reakční rychlosti než při vyšší koncentraci. Přední části
katalysátorového lože pracují tedy s vyššími reakčními rychlostmí než střední, popřípadě
výstupní části kontaktního prostoru reaktoru. Větší reakční rychlost vyžaduje pro dosažení téhož
zvýšení obsahu produktu menší objem katalysátoru. Uvolňování tepla je proto nejintensivnější v
blízkosti vstupu synthesní směsi do vrstvy náplně, zatím co s postupující reakcí množství
vyvinutého tepla na jednotku objemu k výstupu zreagované směsi z katalytického prostoru
klesá. Není-li toto teplo z vrstvy. katalysátoru odváděno, pracujeli tedy vrstva adiabaticky,
stoupá teplota trvale ve směru proudících reagujících plynů a směs se rychle přibližuje
rovnovážnému stavu s odpovídající nulovou reakční rychlostí. Dosažitelný přírůstek amoniaku v
synthesní směsi je závislý na přípustném zvýšení teploty v takové vrstvě katalysátoru, které je
při dané počáteční teplotě omezeno jednak strmým růstem spotřebovaného objemu
katalysátoru v blízkosti rovnováhy, jednak dovolenou teplotou použitého katalysátoru, při jejímž
překročení dochází k rychlé desaktivaci kontaktní hmoty a trvalému snížení výkonu zařízení. -
Zlepšení průběhu teplot ve směru podélné osy reaktoru a vysokého obsahu amoniaku ve
vystupujících plynech z reaktoru se dosáhne např. zabudováním chladicích prvků do náplně
katalysátoru, jimiž se od
vádí teplo, uvolněné při reakci. Při chlazení kontaktního lože je snaha,
aby teplotový podélný průběh byl co možno blízký nejvýhodnějším teplotovým podmínkám, jimž přísluší
největší reakční rychlosti ve všech místech náplně katalysátoru a odtud nejmenší kontaktní prostor pro
požadovaný výkon reaktoru. Nejvýhodnější reakční teploty s rostoucím obsahem amoniaku v synthesní
směsi klesají, což společně s nejvyšší teplotou, jíž lze ještě trvale katalysátor zatížit, je určujícím činitelem
pro mohutnost chlazení lože v osovém směru. Chladicích prvků, vytvořených obvykle trubkovým
svazkem, se s výhodou používá k dalšímu ohřevu synthesní směsi, vedené ke vstupu do reakčního
prostoru, která bývá předehřáta ve výměníku tepla, předřazeném kontaktní části. Takový reaktor má
kontaktní lože opatřeno dvojitými Fieldqvými trub
kami, zasunutými do náplně katalysátoru zdola, přičemž synthesní směs,
přitékající od výměníku tepla, je vedena nejdříve do vnitřních trubek, jimiž proudí směrem
vzhůru, tedy v protiproudu vzhledem k toku reagujících plynů, vtéká do mezikruhových prostorů,
vytvořených vnějšími a vnitřními trubkami, jimiž teče v souproudu se směsí, postu
pující reakčním prostorem, a po výstupu z trubkového svazku je vedena
na katalysátor.
Jiný reaktor má v náplni katalysátoru zabudovány jednoduché chladicí trubky, jimiž směs,
předehřátá ve výměníku tepla, protéká v protiproudu k toku plynů kontaktním ložem, načež je
vedena do reakce.
Nedostatky těchto reaktorů byly odstraněny konstrukcí, u níž jsou Fieldovy trubky zapuštěny
do náplně katalysátoru shora, a chładná synthesní směs vstupuje nejdříve do mezikruhových

6. prostorů Fieldových trubek, jimiž proudí souproudně s plyny v reakčním prostoru, načež ve
spodní části katalytické vrstvy do vnitřních, nepřímo chladicích trubek, jimiž teče v protiproudu k
toku reagující směsi náplní, a po výstupu z nich je vedena na katalysátor. Výhoda tohoto typu
ves
tavby oproti klasickým reaktorům spočívá jednak v přivádění chladné synthesní směsi
do míst s nejintensivnějším vývinem tepla, přičemž velký teplotový spád mezi
kontaktním ložem a mezikruhovými prostory

8. 100
120
130
3 100261
Fieldových trubek zajišťuje snadnější odvod tepla, uvolněného při reakci na malé odlehlosti ve
vstupních částech náplně, takže horký bod teplotového průběhu v loži, tj. nejvyšší teplota, je
nižší; proto také nebezpečí přehřátí katalysátoru je menší jednak v příznivém ovlivnění osového
průběhu teplot za horkým bodem, který leží v blízkosti nejvýhodnějších teplot při nižších i
vysokých stupních přeměny, což je výhodné zvláště. u reaktorů, na něž je kladen požadavek
vysokého procenta produktu na výstupu, po případě s výrobou vodní páry za reakto-
Nevýhodou dosavadní konstrukce tohoto typu reaktoru je, že chladná synthesní směs, proudící
mezikruhovými prostory Fieldových trubek, odnímá teplo nejen z kontaktního prostoru, nýbrž i ohřátým
plynům, protékajícím v protiproudu vnitřními trubkami. To způsobuje, že směs, vystupující z trubkového
svazku, má nižší teplotu než ve vnitřních chladicích trubkách. Teplo, převedené za jednotku doby, souvisí
s plochou Fna níž k výměně dochází, teplotovým spádem At a hodnotou součinitele prostupu tepla k
podle vztahu:
velikost teplovýměnné plochy je dána jednak zajištěním rozložení teplot v příčném řezu,
reakčního prostoru vnějšími, chladicími trubkami, jednak dosažením potřebného Reynoldsova
čísla proudění v mezikruho
vých prostorech Fieldových trubek. Teplotový spád je určen při uvažo
vaném zvýšení obsahu produktu v synthesní směsi průchodem reakčních plynů vrstvou
katalysátoru předehřátím ve výměňíku tepla, před
řazeném kpntaktnímu prostoru, a teplotou plynů, vystupujících z trub
kového svazku. - -
Zmenšení množství tepla, odváděného z vnitřních trubek svazku do chladnější směsi,
proudící mezikruhovými prostory, lze dosáhnout snížením hodnoty součinitele prostupu tepla
vnitřními trubkami. To by bylo možno provést jejich isolováním, což je však výrobně nevýhodné.
Vhodnější je vytvoření tenké plynové vrstvy, jíž se teplo šíří prakticky pouze -
Vynález využívá poznatku, že součinitel vedení tepla v plynech má velmi malou hodnotu a
odstraňuje nevýhodu posledně jmenovaného typu vestavby synthesního reaktoru, spočívající ve
snížení již dosažené teploty synthesní směsi tím, že použitím dvou soustředných slabostěnných
trubek místo dosavadní jedné vnitřní ve Fieldově trubce je mezi
nimi vytvořena tenká válcová mezera, vyplněná nepohybující se syn
thesní směsí, která připouští jen nepatrnou výměnu tepla vedením, takže teplota plynů,
vystupujících z chladicího trubkového svazku, je prakticky rovná nejvyšší teplotě,
dosažené při ohřevu v trubkách, procházejících vrstvou katalysátoru. -
Tímto způsobem zamezený pokles teploty ve vnitřních trubkách svazku, se příznivě
projevuje ve vyšší teplotě synthesní směsi na vstupu do kontaktního prostoru, výhodnějších
reakčních podmínkách, rychlejším započetí reakce, menším potřebném objemu katalysátoru a

9. vyšším výkonu zařízení. . . . . . · · · · · · · · · · · · ·
· Zdvojení vnitřních, nepřímo chladicích trubek, může být, provedeno po celé délce vnějších
trubek, po případě jen na části délky trubkového svazku. - : - - -
. Uvedeného zlepšení podle vynálezu je možno použít přirozeně jak. u reaktorů s
katalysátorem, uloženým v jedné vrstvě, tak.těch, které mají katalysátorové lože. rozděleno do
několika vrstev. , : : : : .. . . .
Příklad provedení vynálezu je znázorněn na připojeném yyobrazení, kde v tlakové nádobě
1, uzavřené nahoře víkem 2 a dole víkem 3, je umístěna vestavba, sestávající z jedné vrstvy
katalysátoru 4 a výmění

11. 140
160
180
190
4 - 100261
ku 5 tepla, umístěného ve spodní části tlakové nádoby 1. Cirkulační synthesní směs přitéká do
nádoby 1 vtokovým kanálem 6 v horním víku 2, proudí mezikruhovým prostorem, vytvořeným
tlakovou nádobou 1 a vnějším pláštěm 7 vestavby, který může být opatřen isolací pro zmenšení
tepelných ztrát do spodní části nádoby 1, kde vstupuje do výměnïku , v němž se předehřívá
teplem, odnímaným žhavé zreagované směsi. Ve výměníku 5 směs protéká mezitrubkovým
prostorem a její tok je usměrňován kruhovými přepážkami9 a prstencovými přepážkami .
Předehřáté synthesní plyny vystupující z výměníku 5 tepla jsou vedeny do mezikruhového
prostoru, vytvořeného vnějším pláštěm 7 vestavby reaktoru a vodicím pláštěm 10 vrstvy
katalysátoru , jímž proudí směrem vzhůru, přičemž se dále ohřívají teplem, unikajícím z vrstvy 4
katalysátoru. Z tohoto mezikruhového prostoru vstupuje synthesní směs do rozdělovací komory
11, do níž je zaústěn svazek vnějších, přímo chlädících trubek 12. Z rozdělovací komory 11 je
předehřátá synthesní směs vedena do mezikruhových prostorů Fieldových trubek, vytvořených
vnějšími, přímo chladícími trubkami 12 a stínicími trubkami 13, jimiž proudí směrem dolů v
souhlasném směru s tokem reakční směsi vrstvou 4 katalysátoru, která je tím chlazena, aby
bylo dosaženo výhodného průběhu reakčních teplot. Ve spodní části vnějších, přímo chladících
trubek 12, ká synthesní směs z řečených mezikruhových prostorů do svażku vnitřních
stoupacích trubek 14, které společně se stínicími trubkami 13 vytvářejí tenké isolující mezery,
vyplněné nepohybující se synthesní směsí, zabraňující prostupu tepla z uvedených
mezikruhových prostorů, vytvořených vnějšími, přímo chladicími trubkami 12 a stínicími
trubkami 13, do prostoru vnitřních stoupacích trubek 14. Vnitřními stoupacími trubkami 14, které
společně se stínicími trubkami 13 procházejí rozváděcí komorou 11 a ústí nad ní, proudí ohřáté
plyny směrem vzhůru. Po výstupu z vnitřních stoupacích trubek 14 synthesní směs vtéká do
prostoru elektrického hořáku 15, kterým se při uvádění reaktoru do provozu plyny. ohřívají na
požadovanou teplotu, nutnou pro započetí reakce. Po uvedení reaktoru do chodu se hořák
vypne. Směs obtéká vinutí elektrického hořáku 15, protéká spojovacím hrdlem 16, vytvořeným v
rozváděcí komoře 11, a vstupuje do směšovacího prostoru 17. Pro regulaci teploty synthesní
směsi, vstupující do vrstvy 4 katalysátoru, je možno přivádět chladné cirkulační plyny ovládací
trubkou 18 do prostoru hořáku 15. Ohřátá směs, vystupující ze svazku vnitřních stoupacích
trúbek 14, společně s chladnými plyny, přiváděnými zmíněnou ovládací trubkou 18 do
směšovacího prostoru 17, v němž, se směs homogenizuje, a je po výstupu vedena s
požadovanou teplotou k vrstvě 4 katalysátoru. Náplní vrstvy4 katalysátoru reakční plyny
protékají směrem dolů, část se slučuje na produkt, přičemž se uvolňuje teplo, které je
vestavěným svazkem Fieldových trubek odváděno. Žhavá směs, vytékající z vrstvy 4
katalysátoru, která spočívá na nosném roštu 19, proudí ke vstupu do teplovýměnných trubek 20
výměníku 5 tepla, prochází těmito teplovýměnnými trubkami 20 a předává teplo chladné směsi,
proudící mezitrubkovým prostorem výměníku . Teplovýměnné trubky 20 výměníku 5 jsou svými

12. konci zaválcovány, po případě zavařeny do trubkovnic 21 a 22. Z teplovýměnných trubek 20
vytéká zreagovaná směs do sběrného prostoru 23, odkud je odváděna odtokovým kanálem 24
ve spodním víku 3 mimo reaktor. Výměník 5 tepla, umístěný ve spodní části tlakového tělesa 1,
je opatřen centrální trubkou 25, která má funkci chladného obtoku, jímž je přiváděna chladná
synthesní směs k výstupu předehřátých plynů z výměníku . Tím je dosaženo snadné regulace
teploty plynné směsi na vstupu do mezikruhových prostorů Fieldových trubek,
vytvořených vnějšími, přímo chladicími trubkami 12 a stínicími trub
karni 13. .

14. 210
: - 100261
Aby byly zajištěny dobré isolační vlastnosti mezery, vytvořené stínicími trubkami13 a
vnitřními stoupacími trubkami 14 a vyplněné synthesní směsí, jsou zmíněné stínicí trubky 13 a
vnitřní stoupací trubky 14 na jednom konci, např. horním, jak je znázorněno na přiloženém
vyobrażení, spojeny např. zavařením, takže proudění směsi touto isolační me
zerou je zcela zamezeno a teplo se mezerou může šířit jen vėdením, tedy: nepatrně a prakticky
zanedbatelně. Pro dosažení souososti stínicích
trubek 13 a vnitřních stoupacích, trubek 14 a možnosti případného různého roztahování vlivem
nestejných teplot v stínicích trubkách 13, po
případě vnitřních stoupacích trubkách 14 jsou protější konce vnitřních stoupacích trubek 14 a
stínicích trubek 13 vůči sobě uloženy volně, např. kluzně, přičemž buď stínící trubky 13, nebo
vnitřní stoupací trubky 14, jsou na těchto volných koncích opatřęny středicími přípravky, např.
kroužky. Spojení prostoru plynové mezery, vytvořené stínicími trubkami 13 a vnitřními
stoupacími trubkami 14, s vnějším tlakovým prostorem může být pojištěno např. provrtáním buď
štínicích trubek 13, nebo vnitřních stoupacích trubek 14 na jednom místě. Vnitřní stoupací trub-
ky 14 jsou buď stejně dlouhé jako stínicí trubky 13, nebo mají menší
délku, a to podle nutnosti většího nebo menšího tepelného odstínění Vnitřních trubek 14. ·
Ovládání teploty ohřátých plynů, vystupujících z výměníku 5 tepla, lze uskutečnit přiváděním
chladnější směsi regulačním obtokem 25.
Uvedeného způsobu a zařízení může být použito v jedné nebo několika vrstvách
vícevrstvového synthesního reaktoru. -
--, - . Předmět patentu
-1. Způsob provádění exotermních reakcí při zvýšených tlacích, jako např. synthesy čpavku, při němž
se teplo odvádí z vrstvy (4) katalysátoru svazkem vnějších, přímo chladících trubek (12), zasunutých do
náplně vrstvy (4) shora, a chladicí synthesní směs proudí nejdříve mezikruhovými prostory, vytvořenými
těmito vnějšími, přímo chladícími
trubkami (12) a stínicími trubkami. 13] v souproudu s tokem reakční
směsi náplní vrstvy (4) směrem dolů, načež ve výstupních částech vrstvy . [4] katalysátoru obrací směr
toku a postupuje vnitřními stoupacími trubkami (14) směrem vzhůru, vyznačený tím, že chladnější
synthesní, směs, protékající zmíněnými mezikruhovými prostory, vytvořenými vnějšími, přímo chladícími
trubkami (12) a stínicími trubkami (13), odnímá teplo intensivně jen z reakčního prostoru vrstvy (4)
katalysátoru a směs, proudící vnitřními stoupacími trubkami: (14), udržuje prakticky nejvyšší dosažitelnou
teplotu. - 2. Způsob podle bodu 1 vyznačený tím, že se vyskytuje v některé nebo některých vrstvách
katalysátoru několikavrstvového reaktoru.
3. Způsob podle bodů 1 a 2 vyznačený tím, že synthesní směs se předehřívá před vstupem
do rozdělovací komory (11) teplem, unikajícím z vrstvy katalysátoru (4) vodicím pláštěm (10)
této vrstvy (4).
4. Zařízení k provádění způsobu podle bodů 1 až 3, vyznačené tím, že pro dosažení teploty

15. synthesní směsi na výstupu z vnitřních stoupacích trubek (14), prakticky rovné nejvýše dosažitelné
teplotě, je stínicími trubkami 13] a vnitřními stoupacími trubkami 14] vytvořena mezera, vyplněná
synthesní směsí, isolující prostor vnitřních stoupacích trubek (14) od mezikruhových prostorů,
vytvořených vnějšími, přímo chladícími trubkami 12] a stínicími trubkami -13).
5. Zařízení k provádění způsobu podle bodů 1 až 4, vyznačené tím, že mezikruhová mezera,
vytvořená stínicími trubkami 13] a vnitřními stoupacími trubkami (14), je alespoň na jednom konci
utěsněna.

17. . Zařízení podle bodu 5 vyznačené tím, že stínicí trubky (13) a vnitřní stoupací trubky (14)
jsou na jednom konci svařeny, přičemž protější konce stínicích trubek (13) - a vnitřních
stoupacích trubek (14) . jsou vzájemně volné, po případě opatřené distančními kroužky,
zajišťujícími souosost těchto stínicích trubek 13] a vnitřních stoupacích trubek 14.
. Zařízení podle bodů 1 až 6 vyznačené tím, že vnitřní stoupací trubky 14] jsou stejně dlouhé jako
stínicí trubky. [13], které dosahují až do spodní části vnějších, přímo chladících trubek (12. - . Zařízení
podle bodů 1 až 6 vyznačené tím, že vnitřní stoupací trubky 14] mají menší délku než stínicí trubky (13). -
. Zařízení k provádění způsobu podle bodů 1 až 3, vyznačené tím, že mezi vodicím pláštěm náplně
vrstvy (4) katalysátoru a vnějším pláštěm. 7] celé vestavby je mezikruhová mezera, která je dole spojena .
s výměníkem a nahoře s rozdělovací komorou (11), přičemž vnější plášť 7] vestavby je zevně opatřen
vrstvou tepelné isolace. . - -
10. Zařízení k provádění způsobu podle bodů 1 až 3, vyznačené tím, že do výměníku (5)
tepla zasahuje regulační obtok (25) a do prostoru před spojovací hrdlo 16] . ovládací trubka (18)
pro chladnou synthesmí směs pro regulaci teplot v kontaktní části reaktoru.
*
Severografia, n. p, závod

19. :
Příloha k patentnímu spisu čís. 1Q0261