CN115209983A - 用于进行化学反应的反应器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于进行化学反应的反应器(100、200)，具有反应器容器(10)和一个或多个反应管(20)，其中，一个或多个反应管(20)的多个管段(21、22)在反应器容器(10)内的第一区域(11)和第二区域(12)之间延伸，并且其中，在用于对管段(21、22)进行电加热的第一区域(11)中的管段(21、22)能够与多相交流电源(50)的相位连接连接。本发明还包括，第二区域(12)中的管段(21、22)通过单个刚性连接元件(30)相互导电地连接为整体或者通过多个刚性连接元件(30)导电地连接成组，单个或多个刚性连接元件(30)与一个或多个反应管(20)一体地连接并且布置在反应器容器(10)内。对应的方法也是本发明的主题。

Description

用于进行化学反应的反应器和方法
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的用于进行化学反应的反应器和方法。
背景技术
在化学工业的许多过程中使用反应器，其中，一种或多种反应物通过加热的反应管并在反应管中进行催化或非催化反应。加热特别有助于克服正在发生的化学反应所需的活化能。反应可以整体吸热的方式进行，也可以克服活化能后以放热的方式进行。本发明特别涉及强吸热反应。
这些方法的示例是蒸汽裂解、各种重整过程，特别是蒸汽重整、干重整(二氧化碳重整)、混合重整方法、脱氢烷烃的方法等。在蒸汽裂解过程中，反应管以盘管的形式穿过反应器，在反应器中可以有反转点，而在蒸汽重整中通常使用没有反转点的反应管通过反应器。
本发明适用于所有此类反应管的工艺和设计。Ullmann的Encyclopedia ofIndustrial Chemistry中的“Ethylene”、“Gas production”、和“Propene”等章节(例如2009年4月15日出版的DOI:10.1002/14356007.a10_045.pub2、2006年12月15日出版的DOI:10.1002/14356007.a12_169.pub2、2和2000年6月15日出版的DOI:10.1002/14356007.a22_211)在此纯粹为了说明的目的而引用。
常规地，对应的反应器的反应管使用燃烧器进行加热。在这种情况下，反应管穿过其中布置有燃烧器的燃烧室。
然而，例如，在DE 10 2015 004 121 A1(类似于EP 3 075 704 A1)中所述，例如，在减少或不减少当地二氧化碳排放的条件下生产的合成气和氢气的需求目前正在增加。然而，由于典型化石能源载体的燃烧，使用燃烧反应器的工艺无法满足这一需求。其他工艺例如由于高成本而被排除在外。这同样适用于通过蒸汽裂解或烷烃脱氢提供烯烃和/或其他烃。在这种情况下，人们也希望至少在现场排放更低数量的二氧化碳。
在此背景下，上述DE 10 2015 004 121 A1提出了除燃烧之外还对用于蒸汽重整的反应器进行电加热。在这种情况下，使用一个或多个电压源，其在三个外部导体上提供三相交流电压。每个外部导体连接到反应管。形成星形电路，其中，星点(star point)由集热器实现，管道通入该集热器，反应管与该集热器导电连接。这样，集电极理想地保持无电位。相对于竖直方向，收集器被布置在燃烧室的下面和外面，并且优选地横向地延伸到反应器管或沿着水平方向延伸。
在不存在所阐述的类型的收集器的情况下，例如，在反应器内反应管具有将它们连接到星点的反转点的反应器中，反应器的对应的电加热可能是有问题的，例如，在WO2015/197181A1中也是如此。由于反应器中的高电流和高温度，很难找到一种在星点处电连接反应器管以满足电流过渡值的解决方案，以用于减少过大的功率损耗并确保电流均匀分布，从而使星点无电位。
US2014/02338523A1涉及一种用于加热用于熔盐的管线系统的设备，包括至少两个管线，电阻加热元件沿至少两个管线延伸，其中，在每个电阻加热元件的至少一端设置接近地电位的电位，并且电阻加热元件从其远程连接到直流电源的连接，或者在每种情况下连接到n相交流电源的相。
WO2015/069762A2中公开了一种包括化学反应器的化学反应器系统，化学反应器具有入口和与入口流体连接的歧管，其中，歧管包括歧管壳体，其中，歧管壳体限定歧管室并具有至少一个另外的组件，该另外的组件可以包括与歧管室热连接的加热器和空腔，其中，歧管壳体限定该空腔并且在特定的布置中提供密封。
在US2015/010467A1中公开的固定床反应器具有：用于催化反应的原料气体的流入路径和用于重整气体的流出路径；与流入路径和流出路径连接并包含催化剂的催化反应器容器；具有通风特性并保持催化剂的催化剂支架；以及通过上下移动催化剂支架来上下移动催化剂的驱动机构。US6 296 814 B1公开了一种燃料重整器，它用于从原始燃料生产富含氢的工艺燃料。催化剂管布置优选地包括以六边形布置的多个催化剂管。外壳包含内部六角形绝热材料，以确保催化剂管的均匀加热。管的直径被设计为使得布置中相邻管之间的距离可以最小化以实现有效的热传递。
因此，本发明的目的是改进用于进行化学反应的电加热反应器。
发明内容
在此背景下，本发明提出了根据独立权利要求的前序部分的用于进行化学反应的反应器和方法。从属权利要求和以下描述的主题是相应的设计方案。
在作为本发明基础的大部分部分通电炉概念(术语“炉”通常被理解为表示对应的反应器或至少其绝热的反应空间)中，反应管或其对应的管段(以下也简称为“管”)中的至少一个本身用作电阻器以生成热量。与外部电加热元件的间接加热相比，这种方法具有更高的效率以及更高的可达到的热通量密度的优点。本发明的范围包括通过燃烧其他能量载体(例如天然气等化石能量载体，甚至是所谓的生物天然气或生物甲烷等能量载体)也可以提供炉内总热量输出的一部分的可能性。
因此，如果本文中提到电加热，并不排除存在另外的非电加热。特别地，还可以规定，电加热和非电加热的贡献随时间而变化，例如，如上所述，取决于电力供应和价格或非电能载体的供应和价格。
电流通过M个分开连接的相进入直接加热的反应管。连接到M相的导电反应管也必须电连接到星点。相数M特别是为3，对应于常规的三相电流源或网络的相数。然而，原则上，本发明不限于三相的使用，还可以与更多的相一起使用，例如，4，5，6，7或8的相数。尤其优选3的倍数，例如6、9、12等。在这种情况下，相位偏移特别是360°/M，即，在三相电流的情况下为120°。
在星点采用星形电路实现了相位间的电位均衡，使得连接管道的电绝缘变得多余。这代表了这种炉概念的一个特别的优点，因为在金属反应管中用于绝缘某些部分的破裂是不希望的，特别是因为使用的高温以及因此需要的高材料和结构费用。
在权利要求的语言中，本发明涉及一种用于进行化学反应的反应器，该反应器具有反应器容器(即，绝热或至少部分绝热的区域)和一个或多个反应管，其中，一个或多个反应管的多个管段在反应器容器内的第一区域和第二区域之间延伸并穿过第一区域和第二区域之间的中间区域，并且其中，在用于电加热管段的第一区域中的管段与多相交流电源的相位连接(“外部导体”)连接或能够与其连接，例如借助于导电轨或连接条。开关设备尤其可以安装在所使用的变压器系统的初级侧，因为那里有更高的电压和更低的电流。
如上所述地，经由相位连接提供交流电压，并且以上述方式相移相位连接的交流电压。在本发明的范围内，例如，供电网络或合适的发电机和/或变压器可以用作交流电源。管段形成星形电路，其中，它们在各自与电流源相对的端(即，在第二区域中)相互导电耦合。
在中间区域中，管段特别是自由地穿过反应器容器，即没有机械支撑、没有电接触和/或彼此没有流体或纯机械的相互连接。管段特别是在中间区域中基本上或完全地以平直的方式延伸，其中，“基本上以平直的方式”应理解为意味着存在小于10°或5°的角偏差。
根据本发明，在第二区域中的管段通过单个刚性连接元件(“星桥”)相互导电连接为整体，该单个刚性连接元件一体地连接到一个或多个反应管并布置在反应器容器内，或者在第二区域中的管段通过多个这样的刚性连接元件连接成组。一个或多个连接元件与各个电连接的管段最大成对地流体相互耦合。在这种情况下，“最大成对”应理解为进入连接元件的至多一个管段与进入连接元件的至多一个其他管段流体耦合(或在流动方向的意义上，从连接元件流出)，或者换句话说，在每种情况下，通过连接元件成对流体连接的管段承载或被设计为承载每单位时间内基本上相同的流量。在这个特定的上下文中，“基本上相同的流量”应该理解为指不超过10％、5％或1％的差异。因此，这与现有技术中已知的并布置在反应器外部的收集器不同，一个或多个连接元件以非收集和非分配的方式连接所连接的管段。
根据本发明提出的这种措施具有的优点是，可以通过由一个或多个连接元件形成的一个或多个星桥实现最大电位均衡。由此实现几乎完全不受电位影响，或者实现在必要时连接其上的中性导体上的显著减少的电流返回。结果是经由接头连接到过程系统的其他部分的电流消耗最小，并提供高水平的冲击保护。
与位于反应器容器外部的一个或多个收集器(在必要时同样在星点处提供或提供电连接)相比，根据本发明提出的一个或多个连接元件的另外的优点在于，更明确界定的电热输入路径(例如，同时经过所有管段上，在收集器上的星点情况下并不是这样，因为电热管段在这种情况下必须从较热的内部空间引导到较冷的外部空间)以及电热管段在空间上非常均匀的外部热边界条件(通过反应器容器到低温运行的收集器的绝热通道中没有电热)。由此产生了工艺工程上的优点，例如，可以避免在加热的并且对外隔热的通道中预期的过度局部结焦。
由于潜在的反应需要高温，第二区域的电连接必须在高温范围内实现，例如，对于蒸汽裂解来说，大约900℃的高温范围。通过根据本发明提出的措施，通过选择合适的材料，这是可能的。同时，该连接应在高温下同时具有高导电性和高机械稳定性和可靠性。电气连接的故障直接阻止了电位均衡，并因此导致由于系统部件中不希望的电流流动而导致系统的瞬时安全关闭。本发明通过避免这种情况提供了优于现有技术的优点。
在常规的燃烧器加热的蒸汽裂解反应管中，设置在反应器中的反应管的U形弯头之间不需要连接，这里的反应管是悬浮的，具有一定的移动自由度。特别是，下方的U形弯头可以自由地悬挂在反应器容器中，而上方的U形弯头的移动自由度较小，但仍具有一定移动自由度。反应管的移动自由度有利于反应管的力学行为，这主要是由反应管的热膨胀决定的。因此，本发明基于以下发现：在所提到的文本中被认为是负面的刚性连接所提供的优点超过了缺乏移动自由度的可能的缺点。
在反应管星形回路的实现中，必须提供一种结构，该结构在管段之间提供适当尺寸的导电交叉连接并同时承受主要由高热膨胀率引起的应力。
根据现有技术目前无法在该温度范围内灵活地实现U形弯头(星桥)之间所需的电连接。不存在具有足够的长期温度稳定性或足够的加工性(例如，可焊接性)的材料来制造柔性电连接。此外，在这一应用领域中，几乎没有任何连接技术可用于金属与金属的过渡。
因此，本发明基于令人意外的发现，尽管缺乏移动自由度，但具有足以满足所需电位均衡的横截面的刚性星桥连接能够吸收在高温应用中经过实际相关的运行时间所出现的机械应力。此处电流在千安范围内，因此需要相当大的设计努力。
下面将首先参考用于蒸汽裂解的反应管和反应器来描述本发明。然而，如后文所述，本发明也可用于其他类型的反应器中，如在下面所描述地。一般而言，如上所述，根据本发明提出的反应器可用于进行任何吸热化学反应。
在本发明的第一设计方案中，反应器可特别地结合所谓的双通道盘管(2-passagecoils)使用。反应器在反应器容器中有两个管段，它们通过(更准确地说)一个U形弯头而通入彼此，并因此基本上具有(细长的)U形。进入和离开反应器容器的区段(该区段特别是无缝地或以没有流动相关的过渡的方式过渡到加热的管段中)在此处被称为(也参考下面描述的反应管)“进料段”和“排出段”。总有多个这样的反应管存在。
因此，在本发明中，反应器可以这样设计，即，每个管段包括至少部分地并排布置在反应器容器中的多个反应管的两个管段，其中，多个反应管的两个管段在第一区域中通过U形弯头而通入彼此。特别地，如上所述，第二区域中的两个管段中的一个连接到进料段，而在第二区域中的这两个管段中的另一个连接到排出段。
在刚才解释的本发明的设计方案中，可以在一个变型中设置为，第二区域中的多个反应管的两个管段中的一个管段连接到连接元件中的第一连接元件，而第二区域中的多个反应管的相应的两个管段中的另一个管段连接到连接元件中的第二连接元件。这样，在每种情况下都可以形成多个无电位星点，其优点是，由于多个较窄的连接元件的提高的灵活性，因此产生较小的(特别是由于热膨胀导致的)机械应力。
在刚才解释的本发明的设计方案中，在另一变型中，可以相反地设置为，多个反应管的两个管段并且特别是第二区域中的所有管段都连接到共同的连接元件上。这样，整体上形成无电位星点，其优点在于，例如可以省去另外的中间连接。
刚才解释的本发明的设计方案也适用于使用具有两个进料段和一个排出段的反应管的情况。在这样的反应管中，两个进料段分别连接到一个管段。该排出段同样连接到管段。连接到进料段的管段在典型的Y形连接区域中通入连接到排出段的管段。连接到进料段的管段以及连接到排出段的弯头可以不具有U形弯头或各自具有一个或多个U形弯头。
例如，可以使用如图10C所示的反应管。其中，连接到进料段的管段没有U形弯头，而连接到排出段的管段具有U形弯头。
在这种情况下，特别地，每个由连接到供给部分的管段形成的管段可以在第二区域中连接到连接元件中的第一连接元件，并且由连接到排出段的管段形成的管段连接到连接元件中的第二连接元件。以这种方式，可以如上所述地形成多个分别无电位的星点，并且具有如上所述的优点。
然而，替代地，还可以在另一变型设置为，分别由连接到进料段的管段形成的管段和由连接到排出段的管段形成的管段，并且特别是第二区域中的所有管段，连接到共同的连接元件。以这种方式，也形成了整体上形成了无电位星点，其优点在于，例如可以省去另外的中间连接。
然而，也可以使用如图10B所示的反应管。其中，连接到进料段的管段每个具有U形弯头，连接到排出段的管段具有两个U形弯头。
甚至使用如图10A所示的反应管也是可能的。其中，连接到进料段的管段各具有三个U形弯头，连接到排出段的管段具有两个U形弯头。
在后两种情况中，第二区域中的任意管段也可以连接到不同的连接元件或共同的连接元件上，结果同样可以实现上面已经说明的优点。还可以使用分支的或Y形的组合反应管的多种另外的配置。
然而，替代地，这里还可以在另一变型中提供，每个由连接到进料段的管段形成的管段和由连接到排出段的管段形成的管段，特别是第二区域中的所有管段，连接到共同连接元件。这样，也形成了整体的无电位星点，其优点是，例如，可以省去另外的中间连接。
然而，除了上面特别参考双通道盘管描述的设计方案之外，也可以使用适于与所谓的四通道盘管一起使用的设计方案。四通道盘管有四个基本上平直的管段。然而，具有更多的偶数个平直管段的布置也是可能的。
通常，对应设计的反应器包括一个或多个反应管，每个反应管具有偶数个四个或更多个经由多个U形弯头相互串联连接的管段，U形弯头的数量比经由U形弯头相互串联连接的管段的数量少一个，并且其中，U形弯头从第一区域中的第一U形弯头开始交替地布置在第一区域和第二区域中。
“U形弯头”在这里被理解为特别是指包括部分圆形或部分椭圆形的、特别是半圆形或半椭圆形放入弯管的管段或管组件。开始部分和结束部分具有在同一个平面内彼此相邻的截面。
在使用四通道盘管的第一示例中，被加热的管段包括一个反应管或者多个反应管中的每个反应管的第一管段、第二管段、第三管段、和第四管段，其中，第一管段通过第一U形弯头进入第二管段，第二管段通过第二U形弯头进入第三管段，第三管段通过第三U形弯头进入第四管段。第一管段在第二区域中特别连接到进料段，第四管段在第二区域中特别连接到排出段。第一弯曲段和第三弯曲段被设置在第一区域中，第二弯曲段被设置在第二区域中。这些解释相应地也适用于六个管段，其中，第一弯曲段、第三弯曲段和第五弯曲段被布置在第一区域中，第二弯曲段和第四弯曲段被布置在第二区域中。
在刚刚描述的使用一个或多个U形弯头解释的设计方案中，布置在第二区域中的U形弯头可以形成在连接元件中，并且管段可以从第一区域中的连接元件延伸到第二区域。
在这种情况下，连接元件可以在这里铸造到先前与第二区域中的U形弯头接合在一起(例如，焊接到其上)或与第二区域中的U形弯头连接形成(例如，通过弯曲)的管段上。换句话说，反应管可以预先形成有对应的管段和一个或多个U形弯头，然后封装在对应的区域中。这使得反应管的设计更加简单。
然而，替代地，也可以在连接元件内的第二区域中形成(例如铸造)U形弯头，并将管段焊接到连接元件上。以这种方式可以以简化和模块化的方式生产对应的反应器，只需在直管段上焊接即可。使用连接元件作为标准件可降低生产成本。
再次概括，对应的反应器可以具有从现有技术中已知的任何反应管，例如在Ullmann的Encyclopedia of Industrial Chemistry中的上述文章“Ethylene”中也特别描述了这些反应管。对应的反应管例如由SC-1、SC-2、SC-4、USC-U、Super U、USC-W、FFS、GK-1、GK-6、SMK、PyroCrick 1-1、PyroCrick 2-2或PyroCrick 4-2表示。
如前所述，对应的反应器可以特别地设计为蒸汽裂解反应器，即特别地通过耐温材料的选择和反应管的几何结构来设计。
然而，在另一个替代方案中，管段可以分别包括多个反应管的每个管段，其中，反应器容器内的管段以流体不连通的方式且至少部分地并排布置，并且分别连接到第一区域中的(用于流体的)进料段和第二区域中的(用于流体的)排出段。后者特别是在与管段相同的方向上延伸，或者不会导致任何流体流动相对于与其连接的管段中的流体流动偏转超过15°。进料段和排出段特别类似地与这些部分一体形成，即，特别是以相同管的形式形成。这里设计的反应管特别地不具有U形弯头。这样，产生了反应器，例如，特别适合于进行蒸汽重整。这也可以特别通过给反应管配备合适的催化剂来实现。
在该设计方案中，特别地，第二区域中的连接元件铸造在反应管上。特别地，它可以以袖口的方式包围反应管。
在上述的所有情况下，连接元件和管段可以由相同材料形成或由多种材料形成，多种材料的电导率(在材料常数的意义上，如该领域的惯例)彼此相差不超过50％、不超过30％、不超过10％，或者有利地由相同的材料形成。例如，连接元件和管段也可以由相同的钢种类的钢形成。使用相同或密切相关的材料可以促进连接元件和管段的整体设计，例如通过铸造或焊接。
在所有情况下，通过由尽可能少的单独的部件形成连接元件，金属与金属连接(例如，焊接或焊接连接)的数量可以减少甚至完全免除。因此，可以提高机械稳定性和可靠性。在另外的实施例中，连接元件可以被实现为单个铸件，或者如前所述地，工艺输送管的部分可以被铸造到连接元件中，和/或工艺输送管的部分可以形成为对应的铸件的整体部件。
在本发明的范围内可以减少的金属与金属的连接或金属过渡可能导致电阻的局部变化，并因此导致热点。由于局部温度升高，热点又导致使用寿命缩短，或者由于局部温度梯度陡峭，导致机械应力峰值。在本发明的范围内避免了这一点。
一件式形成的连接元件提供机械稳定性、可靠性以及减少单独的组件。星桥的高机械稳定性是可取的，因为如上所述，星桥的故障将导致安全危急的情况。通过本发明意义上所描述的实施例，在星形电路中用多相交流电电阻加热反应管的原理在高温范围内(即，特别是在超过500℃、超过600℃、超过700℃、或超过800℃的温度下)在技术上是可实现的。
在导电率相等的情况下，通过增加横截面积可以达到所希望的增加的连接元件的电导率，根据R＝ρ(l/A)，其中，R是导体的电阻，单位为欧姆，ρ是比电阻，即电导率的倒数，l是导体的长度，A是导体的横截面积。
反应管和连接元件的可能材料是，例如，高合金铬镍钢，如也用于燃烧炉中。有利的是，这些合金具有高抗氧化性或抗垢性和高抗渗碳性。
例如，它可以是含有0.1至0.5重量％的碳、20至50重量％的铬、20至80重量％的镍、0至2重量％的铌、0至3重量％的硅、0至5重量％的钨和0至1重量％的其他组分的合金，其中，所指定的成分的含量相互合计为有色金属部分。对应的合金也可以例如含有20至40重量％的铬、20至50重量％的镍、0至10重量％的硅、0至10重量％的铝和0至4重量％的铌。
例如，可以使用根据DIN EN 10027的第1部分“材料”的标准名称为GX40CrNiSi25-20、GX40NiCrSiNb35-25、GX45NiCrSiNbTi35-25、GX35CrNiSiB24-24、GX45NiCrSi35-25、GX43NiCrWSi35-25-4、GX10NiCrNb32-20、GX50CrNiSi30-30、G-NiCr28W、G-NiCrCoW、GX45NiCrSiNb45-35、GX13NiCrNb37-25或GX55NiCrWZr33-30-04的材料。这些已被证明特别适合高温使用。
在另外的实施例中，连接元件可以与热环境隔热，以减少由较高的温度梯度而引起的热应力。例如，可以提供布置在反应器容器内的辐射防护屏蔽，其屏蔽连接元件的区域免受来自管段区域的过量热输入。
在另外的实施例中，连接元件的部分可以由反应管的材料组成，连接元件的部分(或另外的部分)可以由具有更高比电导率的材料组成。在这种情况下，不需要提供实心金属与金属连接(例如，焊缝)。电接触也可以通过不同的热膨胀来保证。例如，由先前指定的材料之一组成的铸件可以插入匹配的钼U形材中。
因此，在本发明中，在权利要求的语言中，连接元件至少部分地由导电元件包围，导电元件由这样的材料形成，该材料富含钼、钨、钽、铌和/或铬或由钼、钨、钽、铌和/或铬组成。特别地，该材料具有比形成所述连接元件的材料更高的比电导率。结果，可以显著地改善星点中的电位均衡，或者可以构造对应的较轻的对应的连接元件。
本发明还涉及一种使用反应器进行化学反应的方法，该反应器具有反应器容器和一个或多个反应管，其中，一个或多个反应管的多个管段在反应器容器内的第一区域和第二区域之间延伸，并且其中，用于对管段进行电加热的第一区域与多相交流电源的相位连接电连接。
根据本发明，这里使用了反应器，其中，第二区域中的管段通过连接元件以导电方式彼此连接，该连接元件一件式的与一个或多个反应管连接并布置在反应器容器内。
对于有利地使用根据前面解释的本发明的任一设计方案的反应器的对应方法的其他特征和优点，参考上述解释。
下面将参照附图进一步阐明本发明，附图说明了本发明参照现有技术并与现有技术进行比较的设计方案。
附图说明
图1示意性示出了根据非创造性设计方案的用于进行化学反应的反应器。
图2示意性示出了根据本发明设计方案的用于进行化学反应的反应器。
图3示意性示出了根据本发明另一设计方案的用于进行化学反应的反应器。
图4示意性示出了根据本发明的设计方案的在反应器中使用的连接元件。
图5示意性示出了根据本发明的设计方案的在反应器中使用的连接元件。
图6示意性示出了根据本发明的设计方案的在反应器中使用的连接元件的横截面。
图7示出了根据本发明的设计方案的在反应器中应用的布置的电阻器。
图8A至8C示出了根据本发明的设计方案在反应器中使用的反应管和对应的布置。
图9A和9B示出了用于根据本发明的设计方案的反应器中的反应管和对应的布置。
图10A至10C示出了根据本发明的设计方案的在反应器中使用的其他反应管。
具体实施方式
在以下的附图中，功能或结构上彼此对应的元素由相同的附图标记表示，并且为了清楚起见不进行重复说明。如果在下面描述设备的组件，则对应的解释在每种情况下也将涉及用其实施的方法，反之亦然。
图1示意性示出了根据非创造性设计方案的用于进行化学反应的反应器。
反应器300是为了进行化学反应而设置的。为此目的，它特别地具有隔热的反应器容器10和反应管20，其中，反应管20的许多管段(在此仅在两种情况下用21表示)分别在反应器容器10中的第一区域11’和第二区域12’之间延伸。下面将参照图2更详细地说明的反应管20通过适当的悬架13连接到反应器容器的顶部或支撑结构上。在较低的区域中，反应器容器特别地可以具有炉(未示出)。不言而喻，此处和以下的每种情况下都可以提供多个反应管。
图2示意性示出了根据本发明的设计方案的用于进行化学反应的反应器，其整体上由100表示。
在之前标记为11’和12’的区域在此为区域11和12的形式，其中，用于加热第一区域11中的管段21的管段21在每种情况下都可以电连接到多相交流电源50的相连接U、V、W。对应的相连接也可以按照惯例指定为L1、L2、L3或A、B、C以及其他缩写。开关等以及具体的连接类型未示出。
在这里所示的本发明的设计方案中，管段21通过连接元件30在第二区域12中相互导电地连接，该连接元件30一体地连接到一个或多个反应管20并被布置在反应器容器10内。中性导体也可以连接到其上。
在这里所示的反应器100中，一个反应管20(可以设置多个这样的反应管20)的多个管段21并排地布置在反应器容器10中。管段21通过U形弯头23(仅部分示出)通入彼此并连接到进料段24和排出段25。
第一组U形弯头23(在图中的底部)并排布置在第一区域11中，第二组U形弯头23(在图中的顶部)并排布置在第二区域12中。第二组的U形弯头部23形成在连接元件30中，并且管段21从在第二区域12中的连接元件30开始延伸到第一区域11。
图3示意性示出了用于根据本发明的设计方案进行化学反应的反应器，其整体由200表示。
在反应器200中，管段(在此用22表示)在每种情况下都包括由多个反应管20组成的一个管段22，其中，管段22以流体不连通的方式并排地布置在反应器容器10中，并且分别连接到进料段24和排出段25。对于其余元件，请明确参见上述与上述附图有关的解释。
图4示意性示出了用于根据本发明的设计方案的在反应器中使用的连接元件30，例如用于根据图2的反应器100中。
由于图中所示的元件基本上已经在上面解释过，因此可以明确地参考上面的解释，特别是针对图1和图2。这里未示出悬架13，其另外以星号符号的形式示出，在此处示出的设计方案中，例如管段21和在铸造期间形成在连接元件30中的U形弯头23被焊接在悬架13上。
图5示意性示出了先前未示出的根据本发明设计方案的在反应器中使用的连接元件30。
如在此所示，在本发明的范围内，也可以制造管段21的几何意义上的星形布置，其中，连接元件30位于该布置的中心。可以理解的是，也可以提供多个这样的星形布置，例如以并排或相互堆叠的方式。与图5所示的布置不同，管段也可以向上或向下延伸，例如从绘图平面延伸。
图6示意性示出了用于根据本发明设计方案的在反应器中使用的连接元件30，再次例如在根据图2的反应器100中。
如此处所示，连接元件30至少部分地由导电元件31包围，该导电元件31由如前所述的具有适当导电性的材料制成，并且例如采取U形面的形式。连接元件30可以例如由高合金铬镍钢(例如所述ET45微材料)形成。如上所述地，导电元件31改善了电位均衡。
图7示出了根据本发明的设计方案的在反应器中使用的布置中的电阻器，或者在这里有利地实现元件相对于彼此的电阻关系。该布置特别适合于在根据图2的反应器100中使用。
在图7中，连接元件30中的电阻器用Rb,i表示，在进料段24和排出段25中的电阻器用Rh,i表示，在悬架13中的电阻器用Rn,i表示。如图7本身所示，有利的是，Rh,i>>Rn,i>>Rb,i适用。
在裂解炉中，除了之前在图1和2中显示的反应管20(通常被称为6通道盘管)以及具有在第二区域12之上或之中的两个180°弯头(即U形弯头23)和在第一区域11之下或之中的三个180°弯头(即U形弯头23)的六个直管段分21之外，也可以使用具有较少通道的变型。例如，所谓的双通道盘管只有两个平直的管段21和一个180°弯头或U形弯头23。转移到电加热，这种变体可以看作是6通道裂解炉(图1和图2)和重整炉(图3，具有没有U形弯头23的反应管)的组合。
供电可以在每个反应管21的下方的(或单个)U形弯头的一个位置处发生。M个反应管可以分别以360°/M的相移和共同连接元件30相互电耦合。在第一替代方案中，特别大的连接元件30可用于每个盘管封装或用于在每种情况下考虑的所有反应管20。然而，在第二替代方案中，也可以使用两个较小尺寸的连接元件30。
图9B中示出了刚刚说明的第一替代方案，图9C中以穿过管段21的横截面图说明了刚刚说明的第二替代方案，其中，在图9A中以垂直于图9B和9C所示视图的视图示出了对应的反应管20。对应元件的附图标记参考图1。可以理解的是，连接元件30可能一方面设置有U形弯头23，另一方面设置有与U、V、W相连接的其他U形弯头23，这些连接元件30设置在对应于反应器的第一区域11和第二区域12的不同平面中。
该概念也可相应地应用于具有四个通道或管段21(所谓的四通道盘管)的盘管或反应管20，在这种情况下，具有一个、两个或四个星桥或连接元件30。图9A和图9B中示出了对应的示例，图9B中显示了四个连接元件。为了更好地说明，U形弯头23在此处用虚线(反应器的第二区域12中的U形弯头)和实线(第一区域11中的U形弯头)示出。为了清楚起见，元件仅部分地提供有附图标记。
参考图10A和10B，图10A和10B示出了根据本发明的设计方案在反应器中使用的另外的反应管。反应管和管段在这此仅部分地提供有附图标记。进料段和排出段可以从所示的流动箭头中推断出来。

Claims (15)

1.一种用于进行化学反应的反应器(100、200)，具有反应器容器(10)和一个或多个反应管(20)，其中，所述一个或多个反应管(20)的多个管段(21、22)每一个都在所述反应器容器(10)内的第一区域(11)与第二区域(12)之间延伸，并且其中，在用于对所述管段(21、22)进行电加热的第一区域(11)中的所述管段(21、22)每一个都与多相交流电源(50)的相位连接电连接或能够与所述多相交流电源(50)的相位连接电连接，其特征在于，所述第二区域(12)中的所述管段(21、22)通过单个刚性连接元件(30)相互导电地连接为整体或者通过多个刚性连接元件(30)相互导电地连接成组，所述单个刚性连接元件(30)或所述多个刚性连接元件(30)与所述一个或多个反应管(20)一体地连接并且布置在所述反应器容器(10)内。
2.根据权利要求1所述的反应器(100、200)，其中，所述化学反应是吸热化学反应。
3.根据权利要求1或2所述的反应器，其中，所述管段(21)每一个都包括至少部分地并排布置在所述反应器容器(10)中的多个反应管(20)的两个管段(21)，其中，所述多个反应管(20)的相应的所述两个管段(21)每一个都在所述第一区域(11)中经由U形弯头(23)通入彼此。
4.根据权利要求3所述的反应器，其中，所述多个反应管(20)的所述两个管段(21)中的一个管段(21)连接到多个连接元件(30)中的第一连接元件，并且所述多个反应管(20)的相应的所述两个管段(21)中的另一个管段(21)连接到所述多个连接元件(30)中的第二连接元件。
5.根据权利要求3所述的反应器，其中，所述多个反应管(20)的所述两个管段(21)每一个均连接到一个连接元件(30)。
6.根据权利要求1或2所述反应器(100)，其中，所述管段(21)是一个反应管(20)或经由多个U形弯头(23)相互串联连接的多个反应管(20)中的每一个反应管的四个以上的偶数个管段(21)，其中，U形弯头(23)的数量比经由所述U形弯头(23)串联连接的管段(21)的数量少一个，并且其中，所述U形弯头(23)从所述第一区域(11)中的第一U形弯头(23)开始交替地布置在所述第一区域(11)和所述第二区域(12)中。
7.根据权利要求6所述的反应器(100)，其中，布置在所述第二区域(12)中的一个或多个所述U形弯头(23)形成在所述刚性连接元件(30)中，并且其中，所述管段(21)从所述第二区域(12)中的所述连接元件(30)开始延伸到所述第一区域(11)。
8.根据权利要求6或7所述的反应器(100)，其中，所述连接元件(30)被铸造在所述第二区域(12)中预先设置有一个或多个所述U形弯头(23)或与一个或多个所述U形弯头(23)连接形成的所述管段(21)上。
9.根据权利要求6或7所述的反应器(100)，其中，所述第二区域(12)中的一个或多个所述U形弯头(23)形成在所述连接元件(30)中，并且所述管段(21)被焊接到所述连接元件(30)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的反应器(100)，其中，所述反应器(100)被设计为用于蒸汽裂解的反应器。
11.根据权利要求1所述的反应器(200)，其中，所述管段(22)包括多个反应管(20)的管段(22)，其中，所述管段(22)以流体不连通的方式并排布置在所述反应器容器(10)中，并且所述管段(22)连接到所述第一区域中的进料段(24)和所述第二区域中的排出段(25)。
12.根据权利要求11所述的反应器(200)，其中，所述反应器(200)被设计为用于蒸汽重整、干重整或烷烃催化脱氢的反应器。
13.根据上述权利要求中的任一项所述的反应器(100、200)，其中，所述连接元件(30)和所述管段(21、22)由相同材料形成或由多种材料形成，所述多种材料的电导率彼此相差不超过50％、优选不超过30％、特别优选不超过10％，特别是由铬镍钢形成，所述铬镍钢包含0.1至0.5重量％的碳、20至50重量％的铬、20至80重量％的镍、0至2重量％的铌、0至3重量％的硅、0至5重量％的钨、和0至1重量％的其他成分；优选20至40重量％的铬、20至50重量％的镍、0至10重量％的硅、0至10重量％的铝和0至4重量％的铌，其中，所指定的成分的含量相互合计为有色金属部分。
14.根据前述权利要求中任一项所述的反应器(100、200)，其中，所述连接元件(30)至少部分地由导电元件(31)包围，所述导电元件(31)由富含钼、钨、钽、铌和/或铬的材料制成或者通过由钼、钨、钽、铌和/或铬组成的材料制成，和/或由具有比形成所述连接元件的材料更高的比电导率的材料制成。
15.一种使用反应器(100、200)进行化学反应的方法，所述反应器(100、200)具有反应器容器(10)和一个或多个反应管(20)，其中，所述一个或多个反应管(20)的多个管段(21、22)每一个都在所述反应器容器(10)内的第一区域(11)与第二区域(12)之间延伸，并且其中，在用于对所述管段(21、22)进行加热的所述第一区域(11)中的所述管段(21、22)每一个都与多相交流电源(50)的相位连接电连接，其特征在于，使用反应器(100-500)，在所述反应器(100-500)中，所述第二区域(12)中的所述管段(21、22)通过单个刚性连接元件(30)相互导电地连接为整体或者通过多个刚性连接元件(30)相互导电地连接成组，所述单个刚性连接元件(30)或所述多个刚性连接元件(30)与所述一个或多个反应管(20)一体地连接并且布置在所述反应器容器(10)内。
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