CH670052A5 - - Google Patents

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CH670052A5
CH670052A5 CH2090/86A CH209086A CH670052A5 CH 670052 A5 CH670052 A5 CH 670052A5 CH 2090/86 A CH2090/86 A CH 2090/86A CH 209086 A CH209086 A CH 209086A CH 670052 A5 CH670052 A5 CH 670052A5
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CH
Switzerland
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heat
heat exchanger
tubes
catalyst
arrangement
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CH2090/86A
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English (en)
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Ludwig Silberring
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Silberring Ludwig Ingbuero
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Description

BESCHREIBUNG
Die vorliegend beschriebene Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von endothermen chemischen Umsetzungen zwischen gasförmigen Reaktanden bei erhöhten Temperaturen und Drücken und ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff-haltigen Gasen im Steam-Refor-ming-Verfahren mittels der genannten Vorrichtung.
Das genannte Verfahren, d.h. die katalysierte Umsetzung von Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf bei erhöhten Temperaturen zu Wasserstoff und Kohlenoxiden ist bekannt; es werden auch das Verfahren als «Spalten» und die Produkte als «Spaltgase» bezeichnet.
Diese Umsetzung lässt sich summarisch wie folgt darstellen:
CnHm 4- a H2O b O2 c H2 "I- d CO -F- e CO2.
Die Reaktionen sind in einem weiten Temperatur- und Anteilsbereich endotherm, d.h. zur Erreichung des Umsatzes muss Wärme zugeführt werden.
In weitaus den meisten zur Zeit gebräuchlichen Steam-Reforming-Anlagen werden die Ausgangsstoffe in die mit Katalysatormaterial gefüllten Rohre eingespiesen. Diese Rohre sind in einem Ofen angeordnet und werden durch Flammenstrahlung mehrerer Brenner von aussen beheizt.
Eine eigentliche Wärmerekuperation zwischen Umsetzungsprodukten und Ausgangsstoffen innerhalb des Spaltofens ist dabei weder verfahrenstechnisch vorgesehen noch anlagemässig realisiert.
Es sind auch Veröffentlichungen betreffend Steam-Reformer mit elektrischer Heizung bekannt.
Beispielsweise lehrt die GB-Patentschrift 866 085 ein Verfahren zur Zersetzung von Kohlenwasserstoffen zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid unter Zugabe von Wasserdampf. Im Verfahren gemäss der genannten GB-Patentschrift wird in einem Dampfkessel 5 unter Benützung der Reaktionsgas-Abwärme Wasserdampf von etwa 383 K produziert. Dieser Dampf wird dann durch Zuführen von äusserer Wärmeener5
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Diese Mischung wird nun im Reaktor 4 mittels Induktionsheizung auf die Reaktionstemperatur von etwa 1223 K gebracht. Die heissen Reaktionsprodukte verdampfen dann im Dampfkessel das für die Umsetzung benötigte Wasser.
Das eben beschriebene Verfahren setzt also die von aussen zugeführte Energie bei relativ tiefen Temperaturen ein: beim Aufwärmen des Wasserdampfes von etwa 383 K auf etwa 673 K und bei der Erhitzung des gesamten Ausgangs-Gasgemisches von etwa 673 K an.
Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäss der GB-Patentschrift 866 085 schliesslich besteht aus mindestens drei Hauptaggregaten, die verfahrensmässig wie auch konstruktiv voneinander getrennt sind:
— die Reaktionskammer 4, in der die Reaktion ohne Wärmeaustausch erfolgt, wobei die zur Umsetzung benötigte Wärmezufuhr, wie oben angedeutet, ausschliesslich mittels elektrisch induktiver Heizung geschieht.
— der Dampfkessel 5, in dem die Umsetzungsprodukte ihre Wärme an Wasser abgeben, welches dabei verdampft und auf eine Temperatur von etwa 383 K erhitzt wird und
— der Überhitzer 6, in dem der Wasserdampf aus 5 durch Zuführung von äusserer Energie auf die nötige Umsetzungstemperatur gebracht wird.
Diese Vorrichtung aus einzelnen Aggregaten weist — verglichen mit einem einzigen Apparat gekennzeichnet durch ein einziges Druckgehäuse zur Ausführung aller Verfahrensschritte ausser der Verdampfung — naturgemäss eine komplexere Konstruktion auf.
Die DE Offenlegungsschrift 2 809 126 beschreibt einen Register-Spaltofen zur Umsetzung von z.B. gasförmigen Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenoxiden unter Ausnützung der Wärme des Kühlmittels eines HTHR und unter Zuführung von elektrischer Energie. Die Konstruktion ist für höhere Temperaturen, nicht aber für höhere Drücke geeignet (Dehnungsausgleicher, leichtes Auswechseln der Katalysatorbette).
Im Europäischen Patent, Ver. Nr. 0 020 358, wird ein einfacher Elektro-Reformer beschrieben und beansprucht. Dieser innen thermisch isolierte Reaktor enthält den Katalysator in Röhren, durch welche auch die Reaktionsgase strömen. In den gleichen Röhren — in der Katalysatormasse — sind zudem noch die elektrischen Heizstäbe vorgesehen.
In technisch deutlicher Unterscheidung von den bekannten Anlagen schafft die hier beschriebene Erfindung einen Reformer mit interner Wandkühlung durch die Ausgangsstoffe, mit interner Wärmerekuperation und mit thermody-namisch und strömungstechnisch optimalen Anordnungen von Katalysator und Heizvorrichtung. Dies erlaubt den Einbau der genannten Komponenten in ein an sich bekanntes Druckgehäuse und somit den Betrieb der Vorrichtung bei erhöhtem Druck, was innerhalb der Wasserstofftechnologie von grösster Bedeutung ist. Die Heizung kann zudem eine elektrische oder ein Brenner sein.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung erlaubt es auch, bei der Herstellung von Wasserstoff sich weitestgehend an die Ausgangsstoffe (Kohlenwasserstoffe, gegebenenfalls Luft, Luft-Sauerstoff-Gemische o.ä.) anzupassen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung von endothermen Umsetzungen zwischen gasförmigen Reaktanden bei erhöhten Temperatur und Druck, mit innerer Wärmerekuperation zwischen Umsetzungsprodukten und Ausgangsstoffen, unter Katalyse der Umsetzung und mit Wärmezufuhr,
ist gekennzeichnet durch
— eine innere Isolationsschale 13 /23 / 33 zum Führen der Ausgangsstoffe von ihrem Eintritt über im wesentlichen
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die ganze Länge der Vorrichtung zwischen der Vorrichtungs-Druckwand 11 / 21 / 31 und der inneren Isolationsschale,
— einen innerhalb der Isolationsschale angeordneten Röhrenbündelwärmetauscher 19/29/39 zur inneren Wärmerekuperation, wobei die Ausgangsstoffe ausserhalb der Röhren eingebracht werden können,
— einen im unteren Teil des Wärmetauschers und/oder in Fliessrichtung nach dem Wärmetauscher angeordneten Katalysator 15/35,
— eine innerhalb des Katalysators angebrachte Heizvorrichtung zur Zuführung von Wärme an die Reaktanden im End-Umsetzungsbereich 17/26/37 bzw. 37", und
— die Anordnung der genannten Komponenten in einem Druckbehälter.
Spezielle, bevorzugte Ausführungsformen der genannten Vorrichtung sind in den vorangestellten abhängigen Ansprüchen 2 bis und mit 8 charakterisiert.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von wasserstoffhaltigen Gasen bei erhöhtem Druck unter Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorrichtung die notwendigen Mengen Kohlenwasserstoff und Dampf und die benötigte Menge Wärme in Form von elektrischer Energie bzw. Luft oder an Sauerstoff angereicherter Luft zwecks Teil-Oxydation von reduzierenden Ausgangsstoffen eingespiesen wird und dass die Wasserstoff enthaltenden Umsetzungsprodukte abgeleitet werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird nun anhand von drei speziellen Ausführungsformen im Detail exemplifiziert. Es sind dies ein Reaktor mit Brenner (Figur 1) bzw. einer mit Elektroheizung (Figur 2) und einer mit Kombiniertoder Universal-Heizung (Figur 3). In den Figuren 4 bis 6 schliesslich werden wichtige thermodynamische Zusammenhänge im Betrieb der erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt. Diese Darstellungen sind zusammen mit den ebenfalls folgenden Tabellen I bis III zu lesen.
Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung speziell entsprechend den Ansprüchen 2 und 6.
E bezeichnet den Eintritt der Ausgangsstoffe, d.h. im wesentlichen der gasförmigen und/oder verdampften Kohlenwasserstoffe und des Wasserdampfes, in die Vorrichtung. E' ist der Eintritt des Sauerstoff-haltigen Gases, d.h. Luft bzw. mit Sauerstoff an- gegebenenfalls abgereicherter Luft und evtl. zusätzlicher Wasserdampf in die Vorrichtung. Mit A wird in Figur 1 der Austritt der gasförmigen Umsetzungsprodukte aus der Vorrichtung bezeichnet.
Nach dem Eintritt strömen die Ausgangsstoffe zwischen der Behälterwand 11 mit äusserer thermischer Isolation 12 und der inneren Isolationsschale 13 praktisch auf der gesamten Länge der Vorrichtung. Durch verschiedene Leitbleche 14 umgelenkt strömen danach die gasförmigen Ausgangsstoffe um die Röhren 19 des Wärmetauschers 19'. Von einer gewissen Höhe an strömen die Gase zwar analog weiter, jedoch zusätzlich durch Katalysatorschichten. Da die Gase vor allem durch den zuvor erfolgten Wärmeaustausch aufgewärmt worden sind, geschieht Umsetzung sobald die Gase mit dem Katalysator in Kontakt geraten. Nach Ablauf einer bestimmten Teilreaktion treten die Gase in den Bereich 17, wo, von aussen zugeführt und in den Röhren 16 mittels Wärmeaustausches aufgewärmt, Sauerstoff-haltiges Gas in das Reaktionsgemisch eingeführt wird. Hier verbrennt ein Teil der reduzierenden Spezies des Reaktionsgases mit dem zugeführten Sauerstoff, wodurch die Temperatur der Gase auf einen reaktions-optimalen Wert gebracht wird. Im zweiten Katalysatorblock, welcher aus Teilen 15 und 15' besteht,
wird das Reforming zu Ende geführt und die gasförmigen Reaktionsprodukte fliessen, nachdem sie innerhalb des zweiten Katalysatorblockes durch die Umleitungsvorrichtung 18
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mit den Öffnungen 18' umgelenkt wurden, durch die Wär-metauscher-Röhren 19, unter Abgabe von Wärme sowohl an die im Querstrom dazu fliessenden Reaktionsgase wie auch (indirekt) an das einströmende Sauerstoff-haltige Gas, durch A ab.
Die Figur 2 zeigt eine zweite erfindungsgemässe Vorrichtung, speziell entsprechend den Ansprüchen 3 und 7.
E bezeichnet auch hier den Eintritt der gasförmigen Ausgangsstoffe und A den Austritt der gasförmigen Komponenten. die Komponenten 21, 22, 23,24 und 29 entsprechen den Teilen 11,12,13,14 und 19 in Figur 1. 26 ist die elektrische Heizung, welche ausserhalb der Wärmetauscher-Röhren und getrennt vom Katalysator angeordnet ist. Die elektrische Zuleitung ist mit 27 bezeichnet.
In Figur 3 ist die erfindungsgemässe Vorrichtung mit Kombiniert- oder Universal-Heizung dargestellt; diese entspricht im wesentlichen der Ausführung gemäss den Patentansprüchen 4 und 8.
E bezeichnet hier ebenfalls den Eintritt der Ausgangsstoffe; E' ist der Eintritt des Sauerstoff-haltigen Gases, d.h. der Luft bzw. mit Sauerstoff angereicherter Luft und evtl. zusätzlicher Wasserdampf in die Vorrichtung. Mit A wird wiederum der Austritt der gasförmigen Umsetzungsprodukte aus der Vorrichtung bezeichnet.
Nach dem Eintritt strömen die Ausgangsstoffe zwischen der Behälterwand 31 mit äusserer thermischer Isolation 32 und der inneren Isolationsschale 33 praktisch auf der gesamten Länge der Vorrichtung. Durch verschiedene Leitbleche 34 umgelenkt strömen danach die gasförmigen Ausgangsstoffe um die Röhren 39 des Wärmetauschers 39'. Von einer gewissen Höhe an strömen die Gase zwar analog weiter, jedoch zusätzlich durch Katalysatorschichten. Da die Gase vor allem durch den zuvor erfolgten Wärmeaustausch aufgewärmt worden sind, geschieht Umsetzung, sobald die Gase mit dem Katalysator in Kontakt geraten. Nach Ablauf einer bestimmten Teilreaktion und nach Durchlaufen einer gewissen Strecke, in der die elektrische Heizung 37 mit Zuleitungen 37' angeordnet ist, treten die Gase in den Bereich 37", wo, von aussen zugeführt und in den Röhren 36 mittels Wärmeaustausch aufgewärmt, Sauerstoff-haltiges Gas in das Reaktionsgemisch eingeführt wird. Hier verbrennt ein Teil der reduzierenden Spezies des Reaktionsgases mit dem zugeführten Sauerstoff (wenn der Brenner betrieben wird). Entweder durch elektrische Aufheizung oder durch Verbrennungswärme wird die Temperatur der Gase auf einen reaktionsoptimalen Wert gebracht. Im zweiten Katalysatorblock 35 wird das Reforming zu Ende geführt und die gasförmigen s Reaktionsprodukte fliessen, nachdem sie innerhalb des zweiten Katalysatorblockes durch die Umleitungsvorrichtung 38 mit den Öffnungen 38' umgelenkt wurden, durch die Wär-metauscher-Röhren 39, unter Abgabe von Wärme sowohl an die im Querstrom dazu fliessenden Reaktionsgase wie auch io an das einströmende Sauerstoff-haltige Gas, durch A ab. In den Figuren 4 bis 6 sind die thermodynamisch wesentlichen Beziehungen bei der Herstellung von Wasserstoff in den erfindungsgemässen Vorrichtungen gemäss Figuren 1 und 2 (die erste Vorrichtung mit Luft (Fig. 4) und mit Sauer-i5 stoff (Fig. 5) betrieben) dargestellt:
T ist die Temperaturachse (K),
H die Enthalpieachse (kJ/mol),
H| ist die während des Wärmeaustausches,
H: die während der Umsetzung und des Wärmeaustausches 20 und
H3 die während bzw. neben der zusätzlichen internen Erhitzung rekuperierte Enthalpie.
He ist die intern durch elektrische Energie zugeführte Enthalpie.
25 AT ist die für den Wärmeaustausch verfügbare Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien.
A ist die Aufwärmlinie der Ausgangsstoffe nur durch Wärmeaustausch,
B diejenige durch Wärmeaustausch plus (endothermer!) 30 Umsetzung und C diejenige durch Wärmeaustausch plus Umsetzung plus interner Aufheizung.
E ist eine Gleichgewichtslinie, welche die Beziehung zwischen der Temperatur und der Enthalpie des Gases, be-35 stehend aus im chemischen Gleichgewicht stehenden Komponenten, darstellt.
Die ausgezogenen Linien A bis C stellen die obere Temperaturgrenze des Betriebsbereiches dar. Die schraffierte Fläche umfasst den Bereich, in welchem die Temperatur bei 40 Heizung und Katalyse (welche alternierend erfolgen) schwankt.
Die folgende Tabelle I zeigt ausgesuchte Werte aus der Darstellung gemäss Figur 4 (Luft).
Tabelle I 1. Betrieb entlang Kurventeil A Aufwärmen der Ausgangsstoffe durch Wärmerekuperation
Einheit
In den Röhren Spaltgas
Eintritt Austritt
Ausserhalb der Röhren
Ausgangsstoffe
Eintritt Austritt
Fluid
Molekulargewicht g/mol 17,4 17,4 17,7 17,7
Druck bar 30,05 30,0 31,4 31,3
Temperatur K 850 625 560 800
Dichte kg/m3 7,38 12,8 8,38
Isobare Wärmekapazität J/(mol • K) 36,4 35,4 46,2 43,7
Dynamische Viskosität mg/(s • m) 33,9 25,6 19,8 28,8
Wärmeleitfähigkeit mW(K-m) 122 92,8 54,0 82,6
Prandtlzahl - 0,581 0,563 0,958 0,860
Strömungsdaten
Massenstrom
Volumenstrom
Wärmestrom
Wärmestromdichte
Reynolds-Zahl
Druckverlust kg/s m3/s kW kW/m2
mbar
0,89
0,121 0,088
16
17200 22700
50
420
0,58
0,045 0,069
11
17800 12200
100
5
670 052
2. Betrieb entlang Kurventeil B Reforming mit Wärmezufuhr allein mittels Wärmerekuperation
Einheit In den Röhren Ausserhalb der Röhren
Spaltgas Ausgangsstoffe
Eintritt Austritt Eintritt Austritt
Fluid
Molekulargewicht Druck Temperatur Dichte
Isobare Wärmekapazität Dynamische Viskosität W ärmeleitfähigkeit Prandtl-Zahl g/mol bar
K
kg/m3 J/(mol • K) mg/(s • m) mW/(K • m)
17,4
30.1 1228
5,10 39,4
45.2 166
0,618
17.4
30.05 850
7,38 36,4 33,9 122 0,581
17,7 31,3 800 8,38
43.7
28.8 82,8
0,859
15,5 30,8 950 6,05 41,2 35,1 144 0,646
Strömungsdaten
Massenstrom
Volumenstrom
Wärmestrom
Wärmestromdichte
Reynolds-Zahl
Druckverlust kg/s m3/s kW kW/m2
mbar
0,89
0,175 ■ 0,121 40
12900 17200
50
730
0,58
0,069
28
0,096
12200 10000
500
3. Betrieb entlang Kurventeil A und B Aufwärmen der Luft durch Wärmerekuperation
Einheit In den Röhren
Luft
Eintritt Austritt
Fluid
Molekulargewicht g/mol-
28,85
28,85
Druck bar
31,0
30,8
Temperatur
K
400
900
Dichte kg/m3
27,2
11,9
Isobare Wärmekapazität
J/(mol • K)
29,1
30,1
Dynamische Viskosität mg/(s • m)
23,0
40,1
W ärmeleitfähigkeit mW/(K • m)
32,9
60,2
Prandtl-Zahl
-
0,71
0,75
Strömungsdaten
Massenstrom kg/s 0,31
Volumenstrom m3/s 0,011 0,026
Wärmestrom kW 166
Wärmestromdichte kW/m2 14
Reynolds-Zahl - 26300 15600
Druckverlust mbar 200
Die folgende Tabelle II zeigt ausgesuchte Werte aus der Darstellung gemäss Figur 4 (Sauerstoff).
Tabelle II 1. Betrieb entlang Kurventeil A Aufwärmen der Ausgangsstoffe durch Wärmerekuperation
Einheit In den Röhren Ausserhalb der Röhren
Spaltgas Ausgangsstoffe
Eintritt Austritt Eintritt Austritt
Fluid
Molekulargewicht g/mol 15,5 15,5 17,8 17,8
Druck bar 30,05 30,0 31,4 31,3
Temperatur K 850 625 560 800
Dichte kg/m3 6,60 9,11 12,8 8,52
Isobare Wärmekapazität J/(mol • K) 37,7 37,1 46,2 43,3
Dynamische Viskosität mg/(s • m) 32,5 23,9 19,9 28,9
670052
Tabelle II (Fortsetzung)
1. Betrieb entlang Kurventeil A Aufwärmen der Ausgangsstoffe durch Wärmerekuperation
Einheit
In den Röhren Spaltgas
Eintritt Austritt
Ausserhalb der Röhren
AusgangsstofTe
Eintritt Austritt
Wärmeleitfähigkeit Prandtlzahl mW/(K • m)
133 0,594
99,2 0,576
53,1 0,975
81,3 0,868
Strömungsdaten
Massenstrom
Volumenstrom
Wärmestrom
Wärmestromdichte
Reynolds-Zahl
Druckverlust kg/s m3/s kW kW/m2
mbar
0,75
0,112
17
0,081
14900 20200
50
407
0,68
0,053 0,080
12
20700 14300
100
2. Betrieb entlang Kurventeil B Reforming mit Wärmezufuhr allein mittels Wärmerekuperation
Einheit
In den Röhren
Spaltgas
Eintritt
Austritt
Ausserhalb der Röhren
Ausgangsstoffe
Eintritt Austritt
Fluid
Molekulargewicht g/mol
15,5
15,5
17,8
15,6
Druck bar
30,1
30,05
31,3
30,8
Temperatur
K
1263
850
800
950
Dichte kg/m3
4,40
6,59
8,51
6,13
Isobare Wärmekapazität
J/(mol • K)
41,2
37,7
43,3
40,9
Dynamische Viskosität mg/(s • m)
45,2
32,5
28,9
35,2
Wärmeleitfähigkeit mW/(K • m)
188
133
81,4
142
Prandtl-Zahl
—
0,640
■ 0,594
0,867
0,652
Strömungsdaten
Massenstrom kg/s
0,75
0,68
Volumenstrom m3/s
0,167
0,112
0,080
0,112
Wärmestrom kW
765
Wärmestromdichte kW/m2
50
35
Reynolds-Zahl
10600
14900
14300
11700
Druckverlust tubar
50
500
3. Betrieb entlang Kurventeil A und D Aufwärmen des Sauerstoffs durch Wärmerekuperation
Einheit
In den Röhren Sauerstoff
Eintritt Austritt
Fluid
Molekulargewicht g/mol
32
32
Druck bar
31
30,8
Temperatur
K
400
900
Dichte kg/m3
30,2
13,2
Isobare Wärmekapazität
J/(mol • K)
30,1
34,4
Dynamische Viskosität mg/(s • m)
25,8
44,7
W ärmeleitfähigkeit mW/(K • m)
34,2
66,1
Prandtl-Zahl
0,711
0,723
Strömungsdaten
Massenstrom kg/s
0,07
Volumenstrom m3/s
0,002
0,005
Wärmestrom kW
37
W ärmestromdichte kW/m2
2,0
Reynolds-Zahl
-
4900
2900
Druckverlust mbar
200
Die folgende Tabelle III zeigt ausgesuchte Werte aus der Darstellung gemäss Figur 2 (Elektroheizung).
Tabelle III 1. Betrieb entlang Kurventeil A Aufwärmen der Ausgangsstoffe durch Wärmerekuperation
Einheit In den Röhren Ausserhalb der Röhren
Spaltgas Ausgangsstoffe
Eintritt Austritt Eintritt Austritt
Fluid
Molekulargewicht Druck Temperatur Dichte
Isobare Wärmekapazität Dynamische Viskosität Wärmeleitfähigkeit Prandtlzahl
Strömungsdaten
Massenstrom
Volumenstrom
Wärmestrom
Wärmestromdichte
Reynolds-Zahl
Druckverlust g/mol bar
K
kg/m3 J/(mol • K) mg(s -m) mW/(K • m)
kg/s m3/s kW kW/m2
mbar
12,7
30.2 870
5,26
35.3 32,9
180 0,510
0,110
12,7 30,0 650 7,02 34,2 25,2 140,2 0,486
0,58
0,083
21,1
11500 15100
40
17,6 31,4 560 12,6 46,0
19.8
55.9 0,925
0,046
350
17700
14,8
50
17.6
31.0 800
8,3 44,2
27.1
80.7 0,842
0,58
0,069 12900
2. Betrieb entlang Kurventeil B Reforming mit Wärmezufuhr allein mittels Wärmerekuperation
Einheit In den Röhren Ausserhalb der Röhren
Spaltgas Ausgangsstoffe
Eintritt Austritt Eintritt Austritt
Fluid
Molekulargewicht g/mol
12,7
12,7
17,6
17,5
Druck bar
30,3
30,2
31,0
30,0
Temperatur
K
940
870
800
870
Dichte kg/m3
4,88
5,26
8,33
7,57
Isobare Wärmekapazität
J/(mol • K)
35,7
35,3
44,2
45,7
Dynamische Viskosität mg/(s • m)
35,2
32,9
27,1
31,1
Wärmeleitfähigkeit mW/(K • m)
192
180
80,7
95,8
Prandtl-Zahl
-
0,517
0,510
0,986
0,991
Strömungsdaten
Massenstrom kg/s
0,58
0,58
Volumenstrom m3/s
0,119
0,110
0,069
0,077
Wärmestrom kW
116
Wärmestromdichte kW/m2
21,0
14,7
Reynolds-Zahl
-
10800
11500
12900
11300
Druckverlust mbar
40
200
3. Betrieb entlang Kurventeil C Reforming mit Wärmezufuhr mittels Wärmerekuperation und elektrischer Heizung
Einheit
In den Röhren
Ausserhalb der Röhren
Spaltgas
Ausgangsstoffe
Eintritt
Austritt
Eintritt
Austritt
Fluid
Molekulargewicht g/mol
12,7
12,7
17,6
12,7
Druck bar
30,6
30,3
30,9
30,6
Temperatur
K
1285
940
870
1285
Dichte kg/m3
3,60
4,88
7,57
3,60
Isobare Wärmekapazität
J/(mol • K)
38,2
35,7
45,7
38,2
Dynamische Viskosität mg/(s • m)
44,6
35,2
31,1
44,6
Wärmeleitfähigkeit mW/(K • m)
248
192
95,8
248
Prandtl-Zahl
-
0,543
0,517
0,843
0,543
670 052 8
3. Betrieb entlang Kurventeil C (Fortsetzung)
Reforming mit Wärmezufuhr mittels Wärmerekuperation und elektrischer Heizung
Einheit In den Röhren Ausserhalb der Röhren
Spaltgas Ausgangsstoffe
Eintritt Austritt Eintritt Austritt
Strömungsdaten
Massenstrom kg/s
0,58
0,58
Volumenstrom m3/'s
0,161
0,119
0,077 0,161
Wärmestrom kW
585
Wärmestromdichte kW/m2
28,9
20,2
Reynolds-Zahl
-
8500
10800
11300 7900
Druckverlust mbar
60
350
Der Fachmann kann nun, aufgrund der obigen Daten, dungsgemässen Vorrichtung gemäss den Figuren 1 bis 3 die Betriebskennwerte für die Ausführungsform der erfin- ohne weiteres selbst ableiten.
20
25
30
35
40
45
50
55
60
6 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

670 052
1. Vorrichtung zur Durchführung von endothermen Umsetzungen zwischen gasförmigen Reaktanden bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, mit innerer Wärmereku-peration zwischen Umsetzungsprodukten und Ausgangsstoffen und einer Katalysatoranordnung sowie Heizvorrichtung, gekennzeichnet durch
— eine innere Isolationsschale (13/23/33) zum Führen der Ausgangsstoffe von ihrem Eintritt über im wesentlichen die ganze Länge der Vorrichtung zwischen der Vorrichtungs-Druckwand (11 / 21 / 31) und der inneren Isolationsschale,
— einen innerhalb der Isolationsschale angeordneten Röhrenbündelwärmetauscher (19/29/39) zur inneren Wär-merekuperation, wobei die Ausgangsstoffe sich ausserhalb der Röhren befinden,
— eine im unteren Teil des Wärmetauschers und/oder in Fliessrichtung nach dem Wärmetauscher vorgesehene Katalysatoranordnung (15 / 35)
— eine innerhalb der Kastalysatoranordnung angebrachte Heizvorrichtung zur Zuführung von Wärme an die Reaktanden im End-Umsetzungsbereich (17 / 26 / 37 / bzw. 37"), und
— die Anordnung der genannten Komponenten in einem Druckbehälter.
2. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung ein Brenner (17 / 37") zur Umsetzung von von aussen — ebenfalls unter Wärmeaustausch — zugeführtem sauerstoffhaltigem Gas mit einem Teil der reduzierenden Ausgangsstoffe ist, wobei der Brenner innerhalb der Katalysatoranordnung, welche in zwei Blöcken (15 und 15' / 35) vorliegt, angeordnet ist.
2
PATENTANSPRÜCHE
3. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine elektrische ist und dass deren Heizelemente (26 / 37) im unteren Teil der Katalysatoranordnung ausserhalb der Wärmetauscher-Röhren angeordnet sind.
4. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung eine Kombinations-Konstruktion aus elektrischen Heizelementen (37") und Brenner (37) ist, welche Heizungen einzeln und unabhängig voneinander betrieben werden können und wobei die Heizelemente im unteren Teil des oberen Katalysatorblockes und ausserhalb der Wärmeaustauscher-Röhren angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Isolationsschale (13, 23, 33) aus metallischem und/oder keramischem Material besteht, und dass der Vorrichtungs-Druckbehälter aussen thermisch isoliert ist (12,22, 32).
6. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schichten des Katalysatormaterials in der Katalysator-Anordnung, welche letztere in zwei Teile getrennt vorliegt, im ersten Teil in Körben neben den Röhren des Wärmetauschers und im zweiten Teil der Katalysator-Anordnung (15,15' / 35) zwischen dem Brenner und dem Gaseintritt in die Röhren des Wärmetauschers untergebracht sind, durch welche beiden Teile die Reaktionsgase in je mindestens einer Passage durchtreten können.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten des Katalysatormaterials in der Katalysatoranordnung im wesentlichen in Körben neben den Röhren des Wärmetauschers untergebracht sind, durch welche Schichten die Ausgangsstoffe in verschiedenen Passagen durchtreten können, und dass die elektrischen Heizelemente (26) im unteren Teil der Katalysatorschichtanordnung, jedoch örtlich getrennt davon und ausserhalb der Wärmetauscher-Röhren (29), angeordnet sind.
8. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatormaterial in einer in zwei
Teile getrennten Katalysatoranordnung vorliegt, wobei im ersten Anordnungsteil das Katalysatormaterial in Körben neben den Röhren des Wärmetauschers und im zweiten Teil das Katalysatormaterial in Blöcken zwischen dem Brenner und dem Gaseintritt in die Röhren des Wärmetauschers angeordnet ist (15,15' / 35), durch welche beiden Katalysator-Anordnungen die Reaktionsgase in je mindestens einer Passage durchtreten können, dass mindestens ein elektrisches Heizelement (37) im unteren Abschnitt des ersten Katalysator* Anordnungsteils, jedoch örtlich getrennt davon und ausserhalb der Wärmetauscher-Röhren angebracht ist und dass ein Brenner (37"), der im wesentlichen eine Eindüsungsvor-richtung für sauerstoffhaltiges Gas in die reduzierenden Reaktionsgase nach deren Erwärmung durch die innere Wär-merekuperation ist, im Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysator-Anordnungsteil vorgesehen ist.
9. Verfahren zur Herstellung Wasserstoff-haltiger Gase bei erhöhtem Druck unter Verwendung einer Vorrichtung gemäss einem der Patentansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorrichtung die notwendigen Mengen Kohlenwasserstoffe und Dampf und die benötigte Menge Wärme in Form von elektrischer Energie sowie Luft oder an Sauerstoff angereicherter Luft zwecks Teil-Oxydation von reduzierenden Ausgangsstoffen eingespiesen werden und dass die Wasserstoff enthaltenden Umsetzungsprodukte abgeleitet werden.
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