CH627666A5

CH627666A5 - Cracking tube furnace

Info

Publication number: CH627666A5
Application number: CH1432177A
Authority: CH
Inventors: Nicolaus Matentzoglu; Ernst Klas; Guenter Schumacher; Alfred Zentis
Original assignee: Hochtemperaturreaktor Technik
Priority date: 1977-02-09
Filing date: 1977-11-23
Publication date: 1982-01-29
Also published as: JPS5398908A; DE2705324A1; FR2380072A1; FR2380072B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spaltrohrofen zur katalytischen Spaltung von Gasen bei hoher Temperatur in langen, von aussen beheizbaren Rohren mit einem metallischen Innenrohr. Diese Spaltrohröfen bestehen oft aus einem Bündel von zahlreichen, parallelen, an ihrem unteren Ende geschlossenen Spaltrohren, die mit ihrem oberen Ende an einer gemeinsamen Tragplatte befestigt sind und die von aussen mit Rauchgas oder auch mit Helium von ca. 950 °C beispielsweise aus einem Kernreaktor-Kühlkreis beheizt werden. Das zu spaltende Prozessgas tritt oben in das äussere Rohr ein, wird am unteren Ende umgelenkt und fliesst durch das Innenrohr nach oben ab.

In der Deutschen Offenlegungsschrift 2 507 937.2 wird ein Röhrenspaltofen für die katalytische Spaltung von Prozessga-5 sen in senkrechten, mit Katalysatormaterial gefüllten, von aussen beheizten Spaltrohren vorgeschlagen. Das Katalysatormaterial besteht aus zahlreichen, mit zahlreichen Öffnungen oder Zwischenräumen versehenen waagerechten Scheiben, die übereinander gestapelt sind und auch auf einem zentralen Trag-lo rohr geführt werden können. Gegenüber den vorher bekannten Röhrenspaltofen, bei denen das Katalysatormaterial aus einem Isoe eingefüllten Schüttgut bestand, hat die Anordnung von Scheiben den Vorteil, dass das Katalysatormaterial nicht durch ständige Temperaturbewegung verdichtet und zerstört i5 werden kann und dass es auch wesentlich einfacher ausgewechselt werden kann. Dennoch erscheint die mechanische Festigkeit dieser keramischen Scheiben nicht immer in jeder Weise befriedigend. Wenn einzelne Scheiben zerbrochen sein sollten, wird die Auswechselung des Katalysatormaterials er-20 schwert. Ausserdem haben diese Scheiben ein erhebliches Volumen und Gewicht. Sie begrenzen den freien Querschnitt im Aussenrohr und verursachen dementsprechend einen hohen Druckverlust.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Spaltrohr-25 ofen zur katalytischen Spaltung von Gasen bei hoher Temperatur in langen, von aussen beheizbaren Rohren zu schaffen. Das Katalysatormaterial selbst und sein Träger sollen eine gute mechanische und thermische Beständigkeit aufweisen. Zwischen dem ein- und austretenden Prozessgas soll bereits inner-30 halb des Spaltrohrs ein guter Wärmetausch stattfinden, damit die Tragplatte nicht durch zu hohe Prozessgas-Austrittstempe-raturen belastet wird. Ausserdem soll der Wärmeübergang vom Heizgas auf das Prozessgas möglichst gut und der Druckverlust im Prozessgas möglichst gering und konstant sein. 35 Der im Patentanspruch 1 vorgeschlagene Katalysatorträger hat aufgrund seiner dünnen Wände, die ausserdem annähernd in Strömungsrichtung angeordnet sind, einen wesentlich geringeren Druckverlust als die bisher bekannten Katalysatorträger. Da er ausserdem auf beiden Seiten vom Prozessgas ange-40 strömt ist, ist auch sein Kontaktfläche wesentlich grösser als wenn er nur von einer Seite angeströmt würde. Durch diese besondere Anordnung kann man das Innenrohr im Durchmesser wesentlich grösser machen als bisher, so dass auch dort der Druckverlust wesentlich geringer wird. Bei konstantem Innen-45 druchmesser des Aussenrohres kann man also aufgrund des im ganzen geringeren Druckverlustes eine im ganzen höhere Strömungsgeschwindigkeit zulassen und damit die Drucksatzleistung des Prozessgases erheblich erhöhen, oder die Durchsatzleistung konstant halten und stattdessen die Gebläselei-5o stung für das Prozessgas herabsetzen.

Die im Patentanspruch 2 vorgeschlagenen zahlreichen achsparallel angeordneten Rippen auf dem Innenrohr bieten die Möglichkeit, durch Variation von Anzahl und Abmessungen dieser Rippen nahezu jedes gewünschte Verhältnis von Kon-55 taktfläche und Druckverlust zu realisieren. Diese Rippen werden zweckmässigerweise auf dem Innenrohr angeschweisst. Dabei hat sich schon herausgestellt, dass diese Schweissnähte nicht über die ganze Länge der Rippen durchlaufen müssen. Ein erheblicher Teil der Prozesswärme wird durch Strahlung 60 übertagen. Für eine ausreichende Wärmeleitung genügt es, wenn diese Rippen jeweils nur auf der Hälfte ihrer Länge angeschweisst sind. Damit wird auch vermieden, dass in diesen Rippen beim Anschweissen unzulässig hohe Schweissspannun-gen entstehen. Selbstverständlich ist es auch denkbar, das In-65 nenrohr mit den Rippen in einem einzigen Arbeitsgang durch Strangpressen herzustellen.

Die im Patentanspruch 3 vorgeschlagenen, im Querschnitt gekrümmten Rippen bieten eine weitere Möglichkeit, in einem

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gegebenen Querschnitt noch mehr Kontaktfläche unterzubringen. Wenn diese gekrümmten Rippen einzeln hergestellt und an das Innenrohr angeschweisst werden sollen, ist es zweckmässig, in regelmässigen Abständen achsparallele Schlitze vorzusehen, durch die ein Schweissbrenner oder der Strahl eines Elektronenstrahlschweissgerätes ungehindert das Innenrohr erreichen kann.

Die im Patentanspruch 4 vorgeschlagene Anordnung eines dünnwandigen Hohlkörpers, der nach dem Patentanspruch 5 im Querschnitt zahlreiche sternförmige Wellen oder Falten aufweist, ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die besonders leicht montiert werden kann, weil keine Schweissnähte zwischen Innenrohr und Katalysatorträger notwendig sind. Daher können diese Katalysatorträger auch aus einem ganz anderen Material als das Innenrohr, beispielsweise als auch aus Keramik hergestellt werden. Wie bereits in der erwähnten deutschen Offenlegungsschrift 2 507 937.2 dargestellt, trägt das Innenrohr an seinem unteren Ende einen Absatz oder einen Ring, der das Gewicht dieser Katalysatorträger aufnimmt. Die einfachste Ausführung wird dargestellt durch ein kreiszylindrisches Rohr, das durch Abstandshalter gegen Aussen-und Innenrohr zentriert ist und nur einen geringen Abstand von wenigen Millimetern gegenüber diesen Rohren aufweist.

Die im Patentanspruch 6 vorgeschlagenen Löcher in den dünnwandigen Katalysatorträgern dienen zum Ausgleich von Temperatur- und Druckdifferenzen und zum Stoffaustausch auf verschiedenen Seiten eines Katalysatorträgers.

Durch die im Patentanspruch 7 vorgeschlagene axiale Aufteilung in mehrere voneinander unabhängige Rohrabschnitte erhält man Werkstücke von mässigen Abmessungen, die in grossen Stückzahlen leicht herzustellen und zu transportieren sind und deren Montage keinerlei Probleme bietet. Durch die vorgesehene Versetzung der Wellen in Umfangsrichtung dieser Abschnitte werden eventuelle Temperaturdifferenzen ausserhalb und innerhalb der Katalysatorkörper ausgeglichen. Ausserdem bietet die hier vorgeschlagene sternförmige Innenform dieser Katalysatorträger die Möglichkeit, diese Träger an mehreren über den Umfang verteilten und am Innenrohr ange-schweissten Bolzen oder Haken aufzuhängen. Da auf diese Weise jeder Katalysatorträger an mehreren Punkten aufgehängt werden kann und er sich notfalls auch noch auf den darunter angeordneten Katalysatorträger abstützen kann, ist diese Befestigung zuverlässig genug, auch wenn einzelne Schweissnähte nachgeben sollten.

Die im Patentanspruch 8 vorgeschlagene Anordnung von Längsschlitzen soll unzulässige Wärmespannungen in den Katalysatorträgern vermeiden, die eventuell in Umfangsrichtung auftreten könnten. Wenn mehrere dieser mit Längsschlitzen versehenen Katalysatorträger übereinander gestapelt werden, ist es sicher zweckmässig, diese Längsschlitze gegeneinander zu versetzten.

Die im Patentanspruch 9 vorgeschlagene Beschichtung des Aussen- und/oder Innenrohres mit Katalysatormaterial stellt eine weitere Möglichkeit dar, die Kontaktfläche zwischen Prozessgas und Katalysatormaterial ohne zusätzlichen Druckverlust zu vergrössern.

Die im Patentanspruch 10 vorgeschlagene Herstellung des Katalysatorträgers aus Katalysatormaterial bezieht sich besonders auf die mit dem Innenrohr verbundenen Rippen. Versuche haben ergeben, dass schon technisch rauhe Bleche beispielsweise aus einem nickelhaltigen Material für die Methanspaltung als Katalysator wirksam sind. Da solche ganz aus Katalysatormaterial hergestellten dünnwandigen Katalysatorkörper mechanisch und auch thermisch sehr robust sind, kann man diese mit geringem Aufwand und ohne die Gefahr der Zerstörung montieren und notfalls auswechseln. Im Gegensatz zu den bekannten keramischen Katalysatorkörpern, die mit einem metallischen Katalysatormaterial beschichtet sind, kann man das wertvolle Katalysatormaterial mit geringem Verlust wieder aufarbeiten.

Auch die im Patentanspruch 11 vorgeschlagene Herstellung der Katalysatorkörper aus einem als Katalysator wirksamen Sintermetall bietet die bereits erwähnten Vorteile. Darüberhinaus hat Sintermetall eine sehr grosse Oberfläche und lässt sich nach Angaben der Hersteller mit nahezu beliebiger Korngrösse bzw. Porengrösse herstellen.

Die im Patentanspruch 12 vorgeschlagene Anordnung eines Strömungsgleichrichters am Eintritt des zu spaltenden Prozessgases ist im Zusammenhang mit den weiter oben beschriebenen Vorschlägen, insbesondere wenn der Strömungskanal zwischen Innen- und Aussenrohr durch dünne Katalysatorwände in mehrere parallele Ströumgskanäle aufgeteilt ist, von besonderer Bedeutung. Es lässt sich nicht vermeiden, dass eine Gassträhne von hoher Temperatur oder auch nur von hoher Geschwindigkeit in einen oder wenige benachbarte parallele Strömungskanäle eintritt und dort unzulässige Wärmespannungen verursacht. Solche Strähnen werden durch einen Gleichrichter vermieden.

Die im Patentanspruch 13 vorgeschlagene Ausgestaltung dieses Gleichrichters ist bei den hier vorgesehenen sehr hohen Temperaturen besonders zweckmässig, da diese keramischen Kugeln, insbesondere als Hohlkugeln, gut isolieren, eventuelle Gassträhnen auflösen und vermischen und ausserdem sich frei gegeneinander bewegen können, so dass innerhalb dieses aüs Kugeln gebildeten Gleichrichters keine unzulässigen Wärmespannungen auftreten können.

Die Fig. 1-6 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines Spaltrohrofens, der aus mehreren, an einer Tragplatte aufgehängten Spaltrohren besteht.

Fig. 1 zeigt teilweise einen senkrechten Schnitt und teilweise eine Seitenansicht eines Spaltrohrofens, von dem nur drei Spaltrohre gezeigt sind.

Fig. 2 zeigt etwa im Originalmassstab einen waagerechten Querschnitt durch ein Spaltrohr, dessen Katalysatorträger aus einem Innenrohr mit daran befestigten radialen Rippen besteht.

Fig. 3 zeigt im gleichen Massstab einen waagerechten Querschnitt durch ein Spaltrohr, dessen Katalysatorträger aus einem Innenrohr mit daran befestigten, fast halbkreisförmig gekrümmten Rippen besteht.

Fig. 4 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch ein einzelnes Spaltrohr, in dem mehrere Katalysatorträger übereinander gestapelt sind.

Fig. 5 zeigt etwa im Originalmassstab einen waagerechten Querschnitt durch Fig. 4, in dem der sternförmig gewellte Querschnitt dieser Katalysatorkörper dargestellt ist.

Fig. 6 zeigt im gleichen Massstab, wie diese Katalysatorkörper am Innenrohr befestigt sind.

In Fig. 1 sind die Spaltrohre 1 an ihrem unteren Ende mit einem Boden 2 verschlossen und an ihrem oberen Ende mit einem Deckel 3 verschlossen. Ebenfalls am oberen Ende ist ein Zuflussrohr 4 für das zu spaltende Prozessgas und im Dek-kel 3 ein Innenrohr 5 befestigt, das bis dicht an den unteren Boden 2 des Spaltrohres 1 geführt ist und als Ableitung für das gespaltene Prozessgas dient. Auf diesem Innenrohr sind ein oder mehrere hohle Katalysatorträger 6 geführt, die in den nächsten Figuren näher dargestellt sind. Am oberen Deckel 3 ist ausserdem ein gasdurchlässiger Korb 7 befestigt, der eine grosse Anzahl von keramischen Kugeln 8 enthält, die das bei 4 eintretende Prozessgas mischen und gleichmässig auf den Rohrquerschnitt verteilen sollen. Ausserdem sollen sie das Innenrohr 5, das an dieser Stelle im Betrieb eine sehr hohe Temperatur aufweist, gegen den direkten Kontakt mit dem bei 4 kalt eintretenden Prozessgas schützen. Die Spaltrohre 1 sind in einer Tragplatte 9 in nicht näher beschriebener Weise

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dicht befestigt und werden aussen von einem Heizgas umströmt.

In Fig. 2 enthält das Spaltrohr 1 ein Innenrohr 5, an dem zahlreiche achsparallel angeordnete Rippen 10 angeschweisst sind.

Fig. 3 zeigt in einem Spaltrohr 1 ein Innenrohr 5 mit zahlreichen daran angeschweissten nahezu halbkreisförmig gekrümmten Rippen 11. Diese Rippen 11 haben gegenüber den vorher erwähnten geraden Rippen 10 eine wesentlich grössere Kontaktfläche gegenüber dem Prozessgas. Ihre äusseren Kanten haben genügend Abstand voneinander, so dass der Wärmeübergang durch Strahlung von dem äusseren Spaltrohr 1 auf das Prozessgas und auf das Inennrohr 5 nicht behindert wird.

In den Fig. 4 und 5 sind mehrere übereinandergestapelte Katalysatorkörper 12 dargestellt, die im Querschnitt zahlreiche

Wellen aufweisen. Dieser wellenförmige Querschnitt kann entweder nach einem Strangpressverfahren oder durch Falten bzw. Schweissen aus Blechstreifen hergestellt werden. In beiden Fällen ist es zweckmässig, wie in Fig.4 und 5 dargestellt, s wenn diese Katalysatorkörper jeweils um eine Teilung in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind, so dass die Gassträhnen abwechselnd aussen oder innen an diesen Katalysatorkörpern entlangströmen.

In Fig. 6 wird mit den gleichen Bezeichnungen wie in Fig. 5 io dargestellt, wie die gewellten Katalysatortrager 12 auf mehrere, über den Umfang des Innenrohres 5 verteilten Haken 13 lagern. Bei der Montage kann man die gewellten Katalysatorträger 12 sowohl von unten als auch von oben montieren, weil man durch eine Versetzung in Umfangsrichtung diese gewell-15 ten Elemente an den Haken vorbeischieben kann.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Spaltrohrofen zur katalytischen Spaltung von Gasen bei hoher Temperatur in langen, von aussen beheizbaren Rohren mit einem metallischen Innenrohr, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Der Katalysatorträger besteht aus dünnen Wänden (10,11, 12).

b) Diese Wände sind auf beiden Seiten vom Prozessgas anströmbar.

c) Diese Wände sind annähernd in Strömungsrichtung, d.h. parallel zur Rohrachse, angeordnet.

2. Spaltrohrofen nach Patentanspruch 1 mit folgendem Merkmal: Das Innenrohr (5) trägt aussen zahlreiche achsparallel angeordnete Rippen (10,11).

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PATENTANSPRÜCHE

3. Spaltrohrofen nach Patentansprüchen 1 und 2 mit folgendem Merkmal: Diese Rippen (11) sind im Querschnitt gekrümmt.

4. Spaltrohrofen nach Patentanspruch 1 mit folgendem Merkmal: Der Katalysatorträger besteht aus achsparallel angeordneten Rohren.

5. Spaltrohrofen nach Patentansprüchen 1 und 4 mit folgendem Merkmal: Diese Rohre haben im Querschnitt zahlreiche sternförmige Wellen (12) oder Falten.

6. Spaltrohrofen nach Patentansprüchen 1 bis 5 mit folgendem Merkmal: Die Katalysatorwände haben zahlreiche Löcher.

7. Spaltrohrofen nach Patentansprüchen 1, 4 und 5 mit folgenden Merkmalen:

a) Der Katalysatorträger besteht aus mehreren axial getrennten Rohrabschnitten.

b) Die sternförmigen Wellen (12) oder Falten dieser Rohrabschnitte sind in übereinanderliegenden Rohrabschnitten gegeneinander versetzt.

8. Spaltrohrofen nach Patentansprüchen 1 und 4 mit folgendem Merkmal: Diese Rohre haben einen Längsschlitz.

9. Spaltrohrofen nach Patentanspruch 1 mit folgendem Merkmal: Das Innenrohr (5) ist von aussen und/oder das von aussen beheizbare Rohr (1) ist von innen mit Katalysatormaterial beschichtet.

10. Spaltrohrofen nach Patentanspruch 1 mit folgendem Merkmal: Der Katalysatorträger besteht aus Katalysatormaterial.

11. Spaltrohrofen nach Patentansprüchen 1 und 10 mit folgendem Merkmal: Der Katalysatorträger besteht aus einem als Katalysator wirksamen Sintermetall.

12. Spaltrohrofen nach Patentanspruch 1 mit folgendem Merkmal: Am Eintritt des zu spaltenden Gases in das von aussen beheizbare Rohr (1) ist ein Strömungsgleichrichter angeordnet.

13. Spaltrohrofen nach Patentansprüchen 1 und 12 mit folgendem Merkmal: Dieser Gleichrichter besteht aus einem Korb (7) mit zahlreichen keramischen Kugeln (8) darin.