CH631637A5

CH631637A5 - Catalytic reactor plant

Info

Publication number: CH631637A5
Application number: CH1416477A
Authority: CH
Inventors: Richard Floyd Buswell; Richard Allan Sederquist; Daniel Jerome Snopkowski
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-11-21
Publication date: 1982-08-31
Also published as: SE7713226L; NL184770C; SE423896B; DK158385C; DE2751251C2; NL184770B; FR2374946A1; FR2374946B1; JPS577538B2; AU3072477A; ES464565A1; IT1143715B; DE2751251A1; DK158385B; IL53400A; BR7707894A; AU511188B2; IL53400A0; DK514477A; GB1545669A

Description

Die Erfindung betrifft eine katalytische Reaktoranlage, die beispielsweise zur Erzeugung von Produktgasen aus einem Einsatzgut dient.

Katalytische Reaktionsanlagen zum Umwandeln von Kohlenwasserstoffbrennstoffen in nutzbare technische Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, sind bekannt. Sie sind im allgemeinen für eine hohe Ausbeute an Produktgas ausgelegt. Die Anlagengrösse ist im allgemeinen von sekundärer Bedeutung, da die Kosten zur Erzeugung des Produktgases einen kleinen Bruchteil des Preises der aus dem Produktgas hergestellten Produkte ausmachen. Das üblichste Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff ist das Dampf-Reformieren oder Steam-Reforming eines Kohlenwasserstoffbrennstoffes durch Hindurchleiten desselben durch Reaktions- oder Reaktorröhren, die mit einem erhitzten Katalysator gefüllt und innerhalb eines Ofens angeordnet sind. Typischerweise sind die Reaktionsröhren 6,1 bis 12,2 m lang und die Wärmeübertragung erfolgt hauptsächlich (in der Grössenordnung von 70%) durch Abstrahlung von den Ofenwänden auf die Reaktionsröhren. Das erfordert einen relativ breiten Zwischenraum zwischen den Röhren und die Anbringung der Röhren neben den Wänden des Ofens, damit jede Röhre durch Abstrahlung von den Wänden gleichmässig erhitzt wird. Diese technischen Wasserstofferzeugungsanlagen haben eine sehr hohe Wärmeübertragungsleistung in der Grössenordnung von 54 260 bis 67 825 kcal/m2 Reaktionsröhren-oberflächeninhalt und pro Stunde. Dieser Anlagentyp ist jedoch hauptsächlich von Strahlungswärme abhängig und der thermische Reaktorwirkungsgrad beträgt nur 40 bis 60%. Es können zwar hohe Wasserstoffumwandlungsleistungen erzielt werden, ein grosser Prozentsatz der in dem Ofen erzeugten Wärmeenergie verlässt jedoch den Ofen in Form von Abgasen hoher Temperatur (d.h. in Form von Verlustwärme). Zur Erzielung hoher Heizleistungen müssen daher grosse Mengen an Brennstoff verbrannt werden. Wenn die Wärmeenergie nicht in einem gesonderten Prozess ausgenutzt wird, beispielsweise zur Erzeugung von Dampf, muss sie als Verlustenergie abgeführt werden. Selbst wenn die Verlustwärme ausgenutzt wird, wird sie nicht zur Erzeugung von Wasserstoff benutzt, wodurch der Wärmewirkungsgrad des Reaktors reduziert wird und die Kosten des erzeugten Wasserstoffes erhöht werden.

Zusammen mit der Entwicklung von Brennstoffzellenkraftanlagen kam der Bedarf an billigem Wasserstoff als

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Brennstoff sowie der Bedarf an niedrigen Anlagenkosten auf, um die Brennstoffzellenkraftanlagen gegenüber bestehenden Stromerzeugungsanlagen wirtschaftlich konkurrenzfähig machen zu können. Dieser Bedarf brachte einen zusätzlichen Anreiz mit sich, die Grösse und die Betriebskosten von Brennstoffverarbeitungsanlagen für die Erzeugung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffbrennstoffen zu reduzieren. Die US-PS 3 144 312 und 3 541 729 beschreiben Versuche zur Verringerung der Grösse von Reaktoranlagen und zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades. Das Aus-mass, in welchem diese Versuche erfolgreich waren, wenn sie überhaupt erfolgreich waren, kann nicht ohne weiteres festgestellt werden. In der folgenden Beschreibung werden jedoch die Nachteile der aus diesen US-Patentschriften bekannten Konstruktionen im Vergleich mit der Erfindung dargelegt.

Die US-PS 3 909 299 beschreibt eine Dampfreformierreaktorkonstruktion, die zwar einige erwünschte Merkmale hat, die aber weder so wirksam noch so kompakt sein kann wie die im folgenden beschriebene Anlage nach der Erfindung.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer katalyti-schen Reaktoranlage, die mit hohen thermischen Reaktorwirkungsgraden arbeiten kann und einen kompakten Aufbau hat.

Eine derartige Reaktoranlage zeichnet sich aus durch den Wortlaut des Anspruchs 1.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilvertikalschnitt einer katalytischen Reaktoranlage und

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Anlage von Fig. 1 im wesentlichen auf der Linie 2-2 von Fig. 1.

Als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die katalytische Reaktoranlage 10 von Fig. 1 und 2 betrachtet. In dieser Ausführungsform dient die Anlage zum Dampf-Re-formieren eines reformierbaren Kohlenwasserstoffbrennstoffes in Gegenwart eines geeigneten Katalysators, um Wasserstoff zu erzeugen. Die Anlage 10 enthält einen Ofen 12 mit Brennerdüsen 14, mit einem Brennerbrennstoffverteiler 16 und mit einem Luftverteiler 18. Innerhalb des Ofens 12 sind mehrere röhrenförmige Reaktoren 20 angeordnet.

Jeder Reaktor 20 hat eine äussere zylindrische Wand 22 und eine innere zylindrische Wand oder ein Mittelrohr 24, die zwischen sich eine ringförmige Reaktionskammer 26 begrenzen. Die Reaktionskammer 26 ist mit Dampfreformierkatalysatorpellets 28 gefüllt, die auf einem Gitter 30 ruhen, das an dem Einlass 32 der Reaktionskammer angeordnet ist. Jeder geeignete Dampfreformierkatalysator, wie beispielsweise Nickel, kann benutzt werden, um die Reaktionskammer von ihrem Einlass 32 bis zu ihrem Auslass 36 zu füllen. Der Zylinder, der durch die*Aussenwand 22 begrenzt ist, ist an seinem oberen Ende 38 durch eine Endkappe 40 verschlossen. Das Mittelrohr 24 hat ein oberes Einlassende 42 und ein unteres Auslassende 44. Das Einlassende 42 endigt unterhalb der Endkappe 40, so dass das Mittelrohr in Gas-verbindung mit dem Auslass 36 der Reaktionskammer 26 ist.

Innerhalb des Mittelrohrs 24 ist ein zylindrischer Stopfen 46 angeordnet, dessen Aussendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Mittelrohrs, wodurch eine ringförmige Regenerationskammer 48 zwischen dem Stopfen und dem Mittelrohr gebildet wird, die einen Einlass 49 hat. Der Stopfen 46 kann zwar eine massive Stange sein, bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es jedoch ein Rohr, das durch eine Endkappe 50 an seinem einen Ende verschlossen ist, so dass die Reaktionskammer 26 verlassende Reaktionsprodukte um den Stopfen 46 herum durch die

Regenerationskammer 48 strömen müssen. Der Abstand zwischen dem Stopfen 46 und dem Mittelrohr 24 wird durch Ausbauchungen 52 in der Stopfenwand aufrechterhalten.

Die Regenerationskammer 48 dient dem Zweck, Wärme aus den Reaktionsprodukten, die den Auslass 36 verlassen, in das Katalysatorbett der Reaktionskammer 26 zurückzuleiten. Deshalb wird der Auslass 54 der Reaktionskammer 48 als neben dem Einlass 32 des Katalysatorbettes, statt als an dem Auslassende 44 des Mittelrohrs angeordnet angesehen, und zwar trotz der Tatsache, dass der tatsächliche Ring, der zwischen dem Stopfen 46 und dem Mittelrohr 24 gebildet ist, sich bis zu dem Auslassende 44 erstreckt. Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung sorgt für eine gewisse Vorwärmung des Prozessbrennstoffes, bevor dieser in das Katalysatorbett eintritt. Das ist aber für die vorliegende Erfindung unkritisch. Ausserdem erstreckt sich in dieser Ausführungsform der Stopfen 46 über die gesamte Länge der Reaktionskammer, so dass der Einlass 49 der Regenerationskammer sich neben dem Auslass 36 der Reaktionskammer befindet. Das wird zwar für eine maximale Regenerierung bevorzugt, der Regenerationskammereinlass kann jedoch irgendwo zwischen dem Einlass und dem Auslass der Reaktionskammer angeordnet werden, indem ein kürzerer Stopfen benutzt wird.

Es ist zu beachten, dass die Regenerationskammer 48 von den heissen Ofengasen im wesentlichen isoliert ist. Zur Erzielung eines maximalen Reaktorgesamtwirkungsgrades ist es wichtig, die Wärmeenergie des Ofengases daran zu hindern, die Reaktionsprodukte innerhalb der Regenerationskammer 48 zu erhitzen. Es ist ausserdem wichtig, das Verbrennen von zusätzlichem Brennstoff oder Wasserstoff innerhalb der Regenerationskammer 48 zu verhindern. Nur Eigenwärme, die bereits in den Reaktionsprodukten am Auslass 36 vorhanden ist, wird auf die Reaktionskammer übertragen.

Jeder Reaktor 20 kann als ein Reaktor aufgefasst werden, der einen oberen Teil 56 und einen unteren Teil 58 aufweist. Der obere Teil 56 ist in einem Raum angeordnet, der im folgenden als Brennraum 60 bezeichnet wird. Der Brennraum 60 ist dasjenige Volumen des Ofens 12, innerhalb welchem die tatsächliche Verbrennung des Brennstoffes und der Luft, die in den Ofen eingeleitet werden, stattfindet. Dieser Raum ist durch sehr hohe Temperaturen, beträchtliche Strahlungsheizung sowie Konvektionsbeheizung der Reaktoren 20 und durch axiales (d.h. in der Richtung der Achse der Reaktoren 20) sowie radiales Vermischen der Gase darin gekennzeichnet.

Der untere Teil 58 jedes Reaktors ist von einer zylindrischen Wand 62 umgeben, die in äusserem Abstand von der Wand 22 angeordnet ist und mit dieser einen ringförmigen Brennergaskanal 64 mit einem Einlass 66 und einem Auslass 67 begrenzt. Der Auslass 67 befindet sich neben dem Einlass 32 der Reaktionskammer 26. Der Kanal 64 ist mit einem Wärmeübertragungspackmaterial gefüllt, das auf einem Gitter 68 ruht und in vorliegendem Beispiel aus Kugeln 70 aus Aluminium besteht. Der Zwischenraum 72 zwischen benachbarten zylindrischen Wänden oder Kanälen 62 ist mit einem nichtwärmeleitenden Material, wie beispielsweise einer Keramikfaserisolation, gefüllt, das auf einer Platte 74 ruht, die sich über den Ofen erstreckt und in welcher Löcher gebildet sind, durch die die Reaktoren 20 hindurchgehen. Die Platte 74 und das Material innerhalb des Zwischenraums 72 hindern die Ofengase daran, um die Aussenseite der zylindrischen Wände 62 zu strömen.

Zusätzlich zu der Platte 74 erstrecken sich Platten 76,78 und 80 ebenfalls über den Ofen und begrenzen zwischen sich Verteiler. Die Platte 80 ruht auf der Bodenwand 82 des Ofens. Die Platten 78 und 80 begrenzen zwischen sich einen

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Reaktionsproduktverteiler 84. Die Platten 76 und 78 begrenzen zwischen sich einen Prozessbrennstoffeinlassverteiler 86. Die Platten 74 und 76 begrenzen zwischen sich einen Ofen-gasauslassverteiler 88. Die Stopfen 46 und die Mittelrohre 24 stossen an die Bodenplatte 80 an. Die Aussenwände 22 der Reaktoren stossen an die Platte 78 an. Die zylindrischen Wände 62 stossen an die Platte 74 an.

Im Betrieb tritt ein Gemisch aus Dampf und reformierbarem Kohlenwasserstoffbrennstoff aus dem Verteiler 86 in den Einlass 32 der Reaktionskammer 26 über Löcher 90 in der Wand 22 ein; der Verteiler 86 wird über eine Leitung 92 versorgt. Sofort beginnt die Erhitzung des Gemisches durch die im Gegenstrom zu ihm durch den Kanal 64 strömenden Ofengase, und das Gemisch beginnt in Gegenwart der Katalysatorteilchen 28 zu reagieren. Wenn sich der Brennstoff, Dampf und Reaktionsprodukte innerhalb der Reaktionskammer 26 aufwärts bewegen, reagieren sie weiterhin und nehmen zusätzliche Wärme auf. An dem Auslass 36 erreicht die Temperatur der Reaktionsprodukte ein Maximum. Die heissen Reaktionsprodukte treten in den Einlass 49 der Regenerationskammer 48 ein. Wenn die Reaktionsprodukte sich über die Länge der ringförmigen Regenerationskammer hinwegbewegen, wird Wärme von ihnen in die Reaktionskammer 26 zurückgeleitet. Sie treten daraufhin in den Reaktionsproduktverteiler 84 durch Löcher 94 in dem Mittelrohr 24 ein und werden über eine Leitung 96 zur weiteren Verarbeitung, zur Lagerung oder zum Verbrauch von dem Reaktor weggeführt.

Brennstoff für den Ofen tritt in den Verteiler 16 über eine Leitung 98 ein und gelangt daraufhin über die Düsen 14 in den Brennraum 60. Luft tritt in den Verteiler 18 über eine Leitung 100 ein und gelangt über ringförmige Durchlässe 102, die jede Düse 14 umgeben, in den Brennraum 60. Das Verbrennen des Brennstoffes und der Luft erfolgt innerhalb des Brennraums 60. Die heissen Gase aus dem Brennraum bewegen sich durch die Kanäle 64 in den Verteiler 88 und werden über eine Leitung 103 abgelassen. Innerhalb des Brennraums sind die Temperaturen im allgemeinen ausreichend hoch, so dass hohe Heizleistungen im Bereich der oberen Teile 56 der Reaktionskammern trotz des relativ niedrigen Wärmeübertragungskoeffizienten in diesem Bereich erzielt werden. Wenn die Temperatur der Ofengase absinkt, während sich die Gase von den Brennerdüsen wegbewegen, würde die Heizleistung normalerweise unzulässig niedrig Werden. Dem wird jedoch gemäss der Erfindung durch die Verwendung der ringförmigen Brennergaskanäle 64 über den unteren Teilen 58 der Reaktoren entgegengewirkt. Diese Kanäle erhöhen, wenn sie richtig dimensioniert sind, den örtlichen WärmeübertragungskoefFizienten und daher die Wärmeübertragungswirksamkeitswerte. Das führt zu hohen Heizleistungen sowohl über den oberen Teilen als auch über den unteren Teilen, und zwar trotz der niedrigeren Temperaturen der Ofengase im Bereich der unteren Teile. Von primärer Bedeutung bei der Erzielung von hohen Heizleistungen ist die Ringspaltgrösse des Brennergaskanals, der Reaktionskammer und der Regenerationskammer. Diese Spalte werden so dimensioniert, dass sich der höchst mögliche Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad ergibt, der mit den gewünschten Abgastemperaturen der Ofengase und der Reaktionsprodukte vereinbar ist. Obgleich theoretisch der Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad mit enger werdendem Brennergaskanal und mit abnehmender Regenerationskam-merspaltgrösse zunimmt, sind praktische Grenzwerte, wie die maximal zulässigen Wandtemperaturen und Druckabfälle innerhalb der Ringe, wichtige Faktoren bei der Festlegung der minimal zulässigen Spaltgrössen für einen besonderen Anwendungsfall. Die Ringspaltgrösse der Reaktionskammer wird in Verbindung mit den Spaltgrössen des Brennergaskanals und der Regenerationskammer so gewählt, dass sich ausreichend hohe Temperaturen in dem gesamten Katalysatorbett ergeben, ohne dass Ofengase in dem Brennergaskanal die Reaktionsprodukte innerhalb der Regenerationskammer 48 auf der anderen Seite des Katalysatorbettes erhitzen. Die Regenerationskammer 48 muss also, wie oben bereits erwähnt, gegenüber den Wärmeeinflüssen der Ofengase im wesentlichen isoliert werden.

An dieser Stelle ist es interessant, die Erfindung mit den Anlagen zu vergleichen, die aus den oben genannten US-PS 3 541 729 und 3 144 312 bekannt sind. Bei der aus der US-PS 3 541 729 bekannten Anlage strömt der Ofenheizstrom in derselben Richtung wie der Strom durch das ringförmige Katalysatorbett längs der Innenwand desselben. Diese Lösung ist klar weniger wirksam und unterscheidet sich von dem Gegenstrom, der gemäss der Erfindung an der Aussenwand des Bettes entlang geht. Bei der aus der US-PS 3 541 729 bekannten Anlage herrschen die höchsten Ofengastemperaturen an dem Einlassende des Katalysatorbettes, welches das kühlste Ende ist, und die Wärmeübertragung in diesem Bereich ist wahrscheinlich so gross, dass eine beträchtliche Menge der Wärme aus den Ofengasen auf die oberen Teile des Regenerationsstroms in dem Ring 113 übertragen wird. Diese Wärme verlässt den Ofen zusammen mit den Reaktionsprodukten, wodurch der thermische Reaktorgesamtwirkungsgrad verringert wird. Das ist bei der Erfindung nicht der Fall, weil das Brennergas an dem Reak-tionskammereinlass infolge des Gegenstroms am kältesten ist.

Die aus der US-PS 3 144 312 bekannte Anlage unterscheidet sich von der Anlage nach der Erfindung dadurch, dass die Ofengase sich an dem inneren ringförmigen Katalysatorbett befinden. Ausserdem strömen die Ofengase sowohl neben dem inneren als auch neben dem äusseren Reaktionsstrom, was im Gegensatz zur Erfindung steht, bei der der Regenerationsstrom von den heissen Ofengasen im wesentlichen isoliert ist, was eine wichtige Forderung ist. Ausserdem ist zu beachten, dass die relativ kühle zylindrische Aussenwand 10 an der relativ heissen inneren zylindrischen Wand 9 starr befestigt ist. Spannungen, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen diesen beiden Wänden verursacht werden, sind wahrscheinlich unzulässig hoch und können Störungen verursachen. Weiter ist keine der aus den beiden US-Patentschriften bekannten Anlagen für eine Verwendung mit mehreren Reaktoren in einem einzigen Ofen geeignet.

Zurückkehrend zu der vorliegenden Erfindimg sei angemerkt, dass festgestellt worden ist, dass ein relativ schmaler Bereich von Spaltgrössen gute thermische Reaktorwirkungsgrade sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Prozessbrennstoffdurchsätzen ergibt. Das Wärmeübertragungspackmaterial 70, das innerhalb der Kanäle 64 angeordnet ist, sorgt für eine weitere Verbesserung des Wärmeübertragungswirksam-keitsgrades und der Gleichmässigkeit der Wärmeverteilung im Vergleich zu einem Ring von derselben Grösse, aber ohne Wärmeübertragungspackmaterial. Da der Wärmeüber-tragungswirksamkeitsgrad mit abnehmender Ringspaltgrösse zunimmt, könnte das Wärmeübertragungspackmaterial 70 weggelassen werden, wenn die Grösse des ringförmigen Brennergaskanals verringert würde. Das liegt zwar im Rahmen der Erfindung, ein breiterer ringförmiger Kanal mit Wärmeübertragungspackmaterial wird jedoch bevorzugt, da es schwieriger und teurer ist, zulässige Abmessungstoleranzen einzuhalten, wenn der Spalt kleiner wird. Zulässige Bereiche für Spaltgrössen mit und ohne Wärmeübertragungspackmaterial sind in Tabelle 1 angegeben, während beste Ergebnisse, die unter Verwendung der bevorzugten Bereiche erzielt worden sind, in Tabelle 2 angegeben sind. Die angege4

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benen Bereiche sind gesicherte Schätzwerte, die zum grossen Teil auf Testergebnissen basieren. Es sei beachtet, dass für Reaktoren mit sehr kleinem oder mit sehr grossem Durchmesser die angegebenen Bereiche ausgedehnt werden können.

Tabelle 1 Zulässige Ringspaltgrössen

Reaktionskammer 7,6-50,8 mm

Regenerationskammer 2,5-25,4 mm

Brennergaskanal (ohne Packmaterial) 2,5-25,4 mm

Brennergaskanal (mit Packmaterial) 12,7-76,2 mm

Tabelle 2 Bevorzugte Ringspaltgrössen

Reaktionskammer 12,7-38,1 mm

Regenerationskammer 3,2-12,7 mm

Brennergaskanal (ohne Packmaterial) 6,4-12,7 mm

Brennergaskanal (mit Packmaterial) 12,7-50,8 mm

Einige weitere Faktoren, die die Wahl der Spaltgrösse bestimmen, sind: Eigenschaften der Gase und Katalysatorteilchen, die Dicke und die Wärmeleitfähigkeit der Wände, welche die Heizgase und die beheizten Gase voneinander trennen, und die Reynold-Zahl der verschiedenen Ströme. Die Wände, die die Gegenströme voneinander trennen, werden üblicherweise möglichst so dünn ausgeführt, wie es sich mit der baulichen Integrität verträgt, und aus Werkstoffen hergestellt, die nicht sehr teuer sind, aber eine gute Wärmeleitfähigkeit haben. Der Katalysator wird im allgemeinen so gewählt, dass er ein gutes Reaktionsvermögen und eine lange Lebensdauer hat. Die Katalysatorteilchengrösse wird im allgemeinen so klein wie möglich gewählt, um die Katalysatoroberfläche zu maximieren, aber nicht so klein, dass ein unannehmbarer Druckabfall in der Reaktionskammer erzeugt wird.

Obgleich in den Zeichnungen nicht dargestellt, sollten Mittel vorgesehen sein, die eine Fluidisierung des Katalysatorbettes infolge des aufwärts strömenden Prozessgases verhindern.

Beispiel I

In einer Dampfreformierreaktoranlage ähnlich der von Fig. 1 und 2 mit neunzehn röhrenförmigen Reaktoren hatte jeder Reaktor eine Länge von etwa 1524 mm, gemessen ab dem Einlass 32, und einen Aussenwanddurchmesser von 229 mm. Die Hälfte der Länge (762 mm) des Reaktors erstreckte sich in den Brennraum 60. Die Aussenwände 22 von benachbarten Reaktoren hatten einen Abstand von 76 mm. Die Reaktoren an der Ofenwand waren von dieser zwischen 102 und 127 mm entfernt. Der Spalt zwischen der Aussenwand 22 und der Innenwand 24 betrug 27,9 mm, der zwischen der Innenwand 24 und dem Stopfen 46 betrug 6,4 mm und der zwischen der zylindrischen Wand 62 und der äusseren Wand 22 betrug 31,8 mm. Der Brennergaskanal war mit 12,7-mm-Durchmesser-Raschigringen aus Aluminiumoxid gefüllt. Der Katalysator hatte die Form von zylindrischen Pellets. Der Prozessbrennstoff war Naphtha, das in das Katalysatorbett als ein mit etwa 4,5 Gewichtsteilen Wasserdampf vermischter Dampf eintrat. Der Prozessbrennstoffdurchsatz betrug etwa 11,3 kg/h pro Reaktor bei einem Gesamtbrennstoffdurchsatz von etwa 215 kg/h. Eine Umwandlungsleistung von 95% und ein thermischer Reaktorgesamtwirkungsgrad von 90% wurden erzielt.

Beispiel II

In einer Dampfreformierreaktoranlage mit einem einzigen röhrenförmigen Reaktor betrug die Reaktorlänge

1524 mm, gemessen ab dem Einlass 32, und der Reaktor hatte einen Aussenwanddurchmesser von 229 mm. Die Hälfte der Länge (762 mm) des Reaktors erstreckte sich in den Brennraum 60. Die Ofenwand hatte rundum einen Abstand von 76 mm von der Reaktoraussenwand. Der Spalt zwischen der Aussenwand 22 und der Innenwand 24 betrug 27,9 mm, der zwischen der Innenwand 24 und dem Stopfen 46 betrug 6,4 mm und der zwischen der zylindrischen Wand 62 und der äusseren Wand 22 betrug 31,8 mm. Der Brennergaskanal war mit Aluminiumoxidkugeln mit einem Durchmesser von 12,7 mm gefüllt. Der Katalysator hatte die Form von zylindrischen Pellets. Der Prozessbrennstoff war Naphtha, welches in das Bett als ein mit etwa 4,5 Gewichtsteilen Wasserdampf vermischter Dampf eintrat. Der Prozessbrennstoffdurchsatz betrug 12,7 kg/h. Eine Umwandlungsleistung von 88% und ein thermischer Reaktorgesamtwirkungsgrad von 87% wurden erzielt.

Die Verteileranordnung und die Brennerkonstruktion, die in den Zeichnungen dargestellt sind, dienen lediglich als Beispiel und sind für die Erfindung oder für einen Teil derselben unkritisch, denn die Erfindung ist bei einer Reaktoranlage mit einem Einzelreaktor innerhalb eines Ofens ebenso anwendbar wie bei einer Anlage mit vielen Reaktoren, wie vorstehende Beispiele gezeigt haben. Es bringt besondere Vorteile mit sich, wenn mehrere Reaktoren in einem einzigen Ofen angeordnet werden, da sie gestattet, die Reak- • toren dicht zu packen, indem sie sowohl eine gleichmässige als auch eine äusserst wirksame Erhitzung der unteren Teile der Reaktoren sicherstellt.

Dicht gepackte Reaktoren stellen eine nichtlineare regelmässige Anordnung von wenigstens drei Reaktoren dar, wobei die Anordnung das Brennraumvolumen im wesentlichen ausfüllt und wobei die Reaktoren im wesentlichen gleich-mässig verteilt und im wesentlichen in gleichen und engen gegenseitigen Abständen innerhalb des Brennraumvolumens angeordnet sind. Beispielsweise kann, wenn ein zylindrischer Brennraum angenommen wird, eine Anordnung aus drei dicht gepackten Reaktoren die Form eines gleichseitigen Dreiecks haben, mit einem Reaktor an jeder Ecke. Eine Anordnung aus vier dicht gepackten Reaktoren kann die Form eines Quadrates haben, mit einem Reaktor an jeder Ecke. Eine Anordnung mit fünf Reaktoren kann einen zentralen Reaktor enthalten, der durch eine quadratische Anordnung von vier Reaktoren umgeben ist. Neun Reaktoren können eine quadratische Anordnung aus drei parallelen Reihen mit jeweils drei Reaktoren haben. Eine hexagonale Anordnung mit neunzehn Reaktoren ist in Fig. 2 gezeigt. In allen Fällen empfängt wenigstens ein Teil jedes Reaktors in der Anordnung eine wesentlich geringere Menge an direkter Strahlung von der Brennraumwand. Beispielsweise empfangen Reaktoren an der Wand wesentlich weniger Strahlung auf der von der Wand abgewandten Seite. Ausserdem empfangen Teile der Reaktoren eine wesentlich geringere Strahlungsmenge infolge der Blockierung der Strahlung durch andere Reaktoren in der regelmässigen Anordnung.

Die erläuterte katalytische Reaktoranlage ist kompakt, hat hohe thermische Reaktorwirkungsgrade und ist in der Lage, mit hohen Heizleistungen zu arbeiten.

Sie enthält eine ringförmige Reaktionskammer, die innerhalb eines Ofens angeordnet ist, wobei Wärme für die Reaktion durch 1) heisses Ofengas, das im Gegenstrom zu dem Strom durch die Reaktionskammer innerhalb eines schmalen Ringes strömt, der koaxial zu der und unmittelbar anliegend an die Aussenwandfläche der ringförmigen Reaktionskammer angeordnet ist, und 2) durch Regenerativwärme aus den Reaktionsprodukten erzeugt wird, die die Reaktionskammer verlassen und im Gegenstrom zu dem Strom durch die Reaktionskammer innerhalb eines schmalen Rin5

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ges strömen, der koaxial zu der und unmittelbar anliegend an die Innenwand der Reaktionskammer angeordnet ist und die Reaktionsprodukte führt, die von den Heizeinflüssen der heissen Gase innerhalb des Ofens im wesentlichen isoliert sind. Eine grosse Anzahl von Reaktoren kann in einem kompakten Ofenvolumen untergebracht werden.

Zur Erzielung niedriger Kosten sind hohe Heizleistungen (d.h. hohe Geschwindigkeiten, mit welchen Wärme aus den heissen Gasen in dem Ofen auf den Reaktionsstrom pro Einheit des Wandoberflächeninhalts, der die beiden Ströme voneinander trennt, übertragen wird) und eine kompakte Anordnung erforderlich. Ein hoher thermischer Reaktorwirkungsgrad erfordert eine hohe Geschwindigkeit der Umwandlung von Prozessbrennstoff in Wasserstoff unter Verbrennung einer minimalen Menge an Brennstoff in dem Ofen. Aufwendige und teure Konstruktionen zur Vermeidung von übermässigen Wärmespannungen, die durch Temperaturdifferenzen zwischen miteinander verbundenen Teilen erzeugt werden, sollten nicht erforderlich sein.

Es werden zwei Ströme benutzt, um den Reaktionsstrom zu erhitzen. Die Hauptwärmequelle ist der Gegenstrom von Ofengasen durch einen schmalen Ring längs der Aussenwand einer ringförmigen Reaktionskammer. Die andere Wärmequelle ist Regenerativwärme aus den Reaktionsprodukten, die die ringförmige Reaktionskammer verlassen und im Gegenstrom durch einen schmalen Ring längs der Innenwand derselben strömen. Die Verwendung von Gegenströmen und schmalen ringförmigen Heizgaskanälen sind kritische Faktoren für die Maximierung der Heizleistung und des thermischen Reaktorwirkungsgrades. Ein hoher Re-generatorwärmeübertragungswirksamkeitsgrad reduziert die erforderliche Ofenheizleistung pro Einheit der Prozessbrennstoffzufuhr. Die Anlage arbeitet daher mit einem höheren thermischen Gesamtwirkungsgrad. In dieser Hinsicht ist die Grösse des Ringspalts von jedem der beiden ringförmigen Kanäle, die heisse Gase in Wärmeaustauschbeziehung mit der Reaktionskammer führen, ein kritischer Faktor bei der Bestimmung, wieviel von der verfügbaren Wärme in den Heizströmen tatsächlich auf den Reaktionsstrom übertragen wird.

Zur Erläuterung ist es von Nutzen, einen Parameter zu betrachten, der als Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad s bezeichnet wird. Der Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad ist gleich der Änderung der Enthalpie des Heizstroms dividiert durch die theoretische maximale Änderung der Enthalpie. Mit anderen Worten, wenn der Heizstrom eine Enthalpie Ei bei seiner Eintrittstemperatur Tx und eine Enthalpie E2 bei seiner Austrittstemperatur T2 hat und wenn der be-5 heizte Strom eine Temperatur T3 bei seinem Eintritt hat, so ist der Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad zwischen den beiden Strömen durch folgende Gleichung gegeben.

= Ei -E2

Ej-E3

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wobei E3 die Enthalpie des Heizstroms ist, berechnet bei der Temperatur T3.

Es ist ausserdem wichtig, den thermischen Reaktorwirkungsgrad t| zu definieren:

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11 (Fr) (LHVr) + Ff(LHVf)

wobei NH2 die Gesamtmenge an erzeugtem Wasserstoff, 2o LHVH2 der untere Heizwert von Wasserstoff, Fr die Menge an dem Reaktor zugeführtem Prozessbrennstoff, Ff die Menge an dem Ofen zugeführtem Brennstoff ist und wobei LHVr und LHVf die unteren Heizwerte des Prozessbrennstoffes bzw. des Ofenbrennstoffes sind. Vorstehend ist angenommen 25 worden, dass Wasserstoff das gewünschte Reaktionsprodukt ist. Die Gleichung kann ohne weiteres für andere Reaktionsprodukte modifiziert werden.

Es sollte stets im Auge behalten werden, dass T) etwa direkt proportional zu e ist und dass deshalb ein hoher Wir-30 kungsgrad einen hohen Wärmeübertragungswirksamkeits-grad erfordert.

Der Vorteil dieser Reaktor anlage besteht hauptsächlich darin, dass sie einen hohen thermischen Reaktorwirkungsgrad in einem grossen Bereich von Heizleistungen (ein-35 schliesslich sehr hohen Heizleistungen) aufweist, während die Anlage eine kompakte Grösse hat. Das Ergebnis ist eine langlebige, kompakte, wirtschaftliche und wirksame Konstruktion, die in der Lage ist, mit hohen Prozessbrennstoffdurchsätzen zu arbeiten.

40 Die Erfindung ist nicht auf das Dampf-Reformieren von Kohlenwasserstoffbrennstoffen zur Erzeugung von Wasserstoffbeschränkt. Die Wärmeübertragungsprinzipien, auf denen die Erfindung basiert, könnten ebensogut bei anderen endothermen katalytischen Reaktionen angewandt werden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Katalytische Reaktoranlage, gekennzeichnet durch einen Brennraum (60) zum Verbrennen von Brennstoff, um heisse Gase zu erzeugen; durch wenigstens einen rohrför-migen Reaktor (20) mit einem ersten Teil (56), der sich in den Brennraum erstreckt, mit einer Aussenwand und mit einer Innenwand (24), wobei die Innenwand mit Abstand von der Aussenwand angeordnet ist und mit dieser eine ringförmige Reaktionskammer (26) zur Aufnahme eines Reaktionskatalysators (28) begrenzt, wobei die Reaktionskammer (26) ein Einlassende (32) und ein Auslassende (36) hat und wobei das Auslassende in demjenigen Teil des Reaktors angeordnet ist, der sich in den Brennraum (60) erstreckt; durch eine Wandanordnung (62), die mit Abstand von der Aussenwand (22) der Reaktionskammer angeordnet ist und mit dieser einen ringförmigen Brennergaskanal begrenzt, der sich koaxial zu der und unmittelbar anliegend an die Reaktionskammer erstreckt und ein Einlassende (66) in Gasverbindung mit dem Brennraum sowie ein Auslassende (67) im wesentlichen an dem Einlassende (32) der Reaktionskammer hat, wobei der Brennergaskanal (64) dafür bestimmt ist, heisses Gas aus dem Brennraum über die Aussenwand des Reaktors im Gegenstrom zu dem durch die Reaktionskammer hindurchgehenden Strom zu leiten, um diesem Wärme zuzuführen; und durch eine Vorrichtung (46), die mit Abstand einwärts der Innenwand des Reaktors angeordnet ist und mit dieser eine ringförmige Regenerationskammer begrenzt, die koaxial zu der und unmittelbar anliegend an die ringförmige Reaktionskammer (26) angeordnet ist und ein Einlassende (49) sowie ein Auslassende (54) hat, wobei die Gesamtmenge der durch das Einlassende in die Regenerationskammer zur Aufnahme gelangenden Reaktionsprodukte von dem Reaktionskammerauslassende bestimmt ist und wobei die Regenerationskammer dafür bestimmt ist, die Reaktionsprodukte im Gegenstrom zu dem durch die Reaktionskammer hindurchgehenden Strom zu leiten und nur Eigenwärme, die bereits in den Reaktionsprodukten an dem Auslassende der Reaktionskammer vorhanden ist, zurück in die Reaktionskammer zu übertragen.

2. Reaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Abstand einwärts von der Innenwand (24) des Reaktors angeordnete Vorrichtung (46) ein zylindrischer, innerhalb des Kanals angeordneter, Stopfen ist.

3. Reaktoranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Wänden der Regenerationskammer zwischen 2,5 und 25,4 mm liegt, dass der Abstand zwischen den Wänden des Brennergaskanals zwischen 2,5 und 76,2 mm liegt, und dass der Abstand zwischen den Wänden der Reaktionskammer zwischen 7,6 und 50,8 mm liegt.

4. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer einen Dampfreformierkatalysator enthält und dass die Reaktoranlage Einrichtungen zum Einleiten eines reformierbaren Kohlenwasserstoffbrennstoffes und von Wasserdampf in das Reaktionskammereinlassende (32) sowie Einrichtungen zum Einleiten eines Brennstoffes und eines Oxydationsmittels in den Brennraum aufweist.

5. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1,2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennergaskanal (64) mit einem Wärmeübertragungspackmaterial im wesentlichen gefüllt ist.

6. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Wänden der Regenerationskammer zwischen 3,2 und 12,7 mm liegt, dass der Abstand zwischen den Wänden des Brennergaskanals zwischen 12,7 und 50,8 mm liegt, und dass der

Abstand zwischen den Wänden der Reaktionskammer zwischen 12,7 und 38,1 mm liegt.

7. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoren (20) innerhalb eines Ofens (12) vertikal angeordnet sind, und dass sich das Auslassende der Reaktionskammer (26) am oberen Ende der Reaktionskammer befindet.

8. Reaktoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere röhrenförmige Reaktoren innerhalb des Ofens angeordnet sind.

9. Reaktoranlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Regenerationskammer (48) im wesentlichen über die volle Länge der Reaktionskammer (26) erstreckt.

10. Reaktoranlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die der Reaktionskammer zugeordnete Vorrichtimg ein zylindrischer Stopfen ist, der eine zylindrische Aussenfläche hat, welche Abstand von der Reaktorinnenwandanordnung aufweist.