DE102010014642B4

DE102010014642B4 - Temperiervorrichtung und Verfahren zum Temperieren eines Rohrbündelreaktors

Info

Publication number: DE102010014642B4
Application number: DE201010014642
Authority: DE
Inventors: Manfred Lehr
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2014-08-07
Anticipated expiration: 2030-04-13
Also published as: CN102211003A; CN102211003B; DE102010014642A1

Abstract

Temperiervorrichtung zum Temperieren eines Rohrbündelreaktors für katalytische Reaktionen, mittels eines Temperiergases, wobei der Rohrbündelreaktor einen Katalysatorraum und einen an diesen angrenzenden, aber von diesem getrennten Wärmeträgerraum aufweist, und wobei die Temperiervorrichtung mit einem Wärmeträgereinlass und einem Wärmeträgerauslass des Wärmeträgerraums in Strömungsverbindung bringbar ist und das Temperiergas die Temperiervorrichtung und den Wärmeträgerraum im Kreislauf durchströmt, mit
einer Druckgasversorgung,
einer Heizeinrichtung für das Temperiergas und
einer Fördereinrichtung für das Temperiergas,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Druckgasversorgung (125) einen Druck im Bereich von 5 bis 100 bar sicherstellt und
die Temperiervorrichtung (102) einen so geringen Bauraum einnimmt, dass sie transportierbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperiervorrichtung zum Temperieren eines Rohrbündelreaktors für katalytische Reaktionen, mittels eines Temperiergases, wobei der Rohrbündelreaktor einen Katalysatorraum und einen an diesen angrenzenden, aber von diesem getrennten Wärmeträgerraum aufweist, und wobei die Temperiervorrichtung mit einem Wärmeträgereinlass und einem Wärmeträgerauslass des Wärmeträgerraums in Strömungsverbindung bringbar ist und das Temperiergas die Temperiervorrichtung und den Wärmeträgerraum im Kreislauf durchströmt, mit einer Druckgasversorgung, einer Heizeinrichtung für das Temperiergas und einer Fördereinrichtung für das Temperiergas. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Temperieren eines Rohrbündelreaktors mit einer solchen Temperiervorrichtung.
Zur Durchführung von heterogen katalysierten Gasphasenreaktionen wie Oxidations-, Hydrierungs-, Dehydrierungs-, Nitrierungs-, Alkylierungsprozessen haben sich in der chemischen Industrie insbesondere Rohrbündelreaktoren mit isothermen Festbetten als besondere Bauart von Festbettreaktoren bewährt.
In einer ersten Ausführungsform weist ein Rohrbündelreaktor einen Reaktorhauptteil mit einem vertikal angeordneten Bündel von Reaktionsrohren auf, in denen sich meist granularer Katalysator und ggf. auch Inertmaterial befindet. Die Reaktionsrohre sind an ihren Enden abdichtend in einem oberen bzw. in einem unteren Rohrboden befestigt. Das Rohrbündel ist von einem Reaktormantel umschlossen, der mit den Rohrböden dicht verbunden ist und mit diesen einen Mantelraum ausbildet, in dem ein Wärmeträger die Reaktionsrohre umströmt. Der Mantelraum wird in diesem Fall auch als Wärmeträgerraum bezeichnet, und die Rohre als Katalysatorraum. Die Reaktion kann endotherm oder exotherm sein. Das Reaktionsgasgemisch wird den Reaktionsrohren über eine den betreffenden Rohrboden überspannende Reaktorhaube zu- und aus den Reaktionsrohren über eine den anderen Rohrboden überspannende Reaktorhaube als Produktgasgemisch abgeführt.
Für stabile Reaktionsbedingungen werden eine nahezu konstante Temperatur des Wärmeträgers um die Reaktionsrohre und ein guter Wärmeübergang angestrebt. Die für den Betrieb des Rohrbündelreaktors notwendigen Nebenapparate wie Umwälzeinrichtung, der meist im Nebenschluss gelegene Wärmetauscher und der Aufheizer liegen gewöhnlich außerhalb des Reaktormantels und sind an diesen direkt mit möglichst kurzen Verbindungsleitungen angeschlossen. Entsprechend tritt der Wärmeträger in der Nähe eines Rohrbodens in den Reaktormantel ein und in der Nähe des anderen Rohrbodens aus ihm aus.
Die Wahl des Wärmeträgers für solche Rohrbündelreaktoren wird von den im Betrieb maximal auftretenden Temperaturen bestimmt. Bei relativ niedrigen Temperaturen unterhalb von ca. 300°C kann die Kühlung mit siedendem Wasser erfolgen. Der Druck im Wärmeträgerraum kann dabei bis auf etwa 100 bar ansteigen. Durch diese Randbedingungen muss der Reaktor als Druckbehälter mit relativ großen Wandstärken ausgeführt werden. Die Vorteile dieses Reaktortyps liegen in der außerordentlich gleichmäßigen Temperaturverteilung im Wärmeträgerraum und in dem sehr guten mantelseitigen Wärmeübergang, wodurch Strömungsleiteinrichtungen einfach gestaltet werden können.
In einer anderen Ausführungsform können Katalysatorraum und Wärmeträgerraum ausgetauscht sein. D. h. die Rohre sind als Kühlrohre ausgebildet und werden von einem Wärmeträger durchströmt. Der Katalysator ist im Mantelraum um die Kühlrohre herum angeordnet. In diesem Fall werden die Rohre als Wärmeträgerraum und der Mantelraum als Katalysatorraum bezeichnet.
Im Temperaturbereich von etwa 250 bis 650°C werden oft Salzschmelzen zur Wärmeabfuhr benutzt. Diese Wärmeträger haben einen sehr niedrigen Dampfdruck und werden im Betrieb drucklos betrieben. Für darunter liegende Temperaturen bis etwa 400°C kommen organische Wärmeträger wie z. B. Wärmeträgeröle zum Einsatz. Rohrbündelreaktoren für diesen Wärmeträgertyp sind z. B. aus der DE 22 07 166 A1 oder der EP 1 569 745 A1 bekannt.
Ein besonderes Problem kann dann auftreten, wenn es bei der Inbetriebnahme oder bei der Außerbetriebnahme eines Rohrbündelreaktors und auch während des Betriebes erforderlich ist, den Katalysator zu konditionieren. Unter „konditionieren” wird verstanden, den Katalysator mit bestimmten Eigenschaften zu versehen.
So kann es notwendig sein, den Katalysator vor bzw. bei Inbetriebnahme des Rohrbündelreaktors von einem inaktiven Zustand, der sich z. B. durch Kontakt mit Luftsauerstoff beim Transport und Füllen in den Katalysatorraum ergeben hat, in einen aktiven Zustand für die Produktion zu bringen. Umgekehrt kann es notwendig sein, bei bzw. nach der Außerbetriebnahme eines Rohrbündelreaktors den noch aktiven Katalysator für den sicheren Austausch und Abtransport zu deaktivieren.
Ferner lässt bei verschiedenen chemischen Reaktionen die Aktivität des Katalysators im Betrieb allmählich nach, der Katalysator wird hier ebenfalls, allerdings unerwünscht deaktiviert. Dies kann verschiedene Ursachen haben. Der Katalysator kann z. B. im Laufe der Zeit oxidiert werden oder die Katalysatoroberfläche wird mit Ruß oder anderen Verunreinigungen überzogen. Zur Sicherstellung einer wirtschaftlichen Produktion muss die Aktivität des Katalysators wiederhergestellt werden. Ein kompletter Austausch des Katalysators ist aufwändig und teuer, so dass man nach Möglichkeit eine Konditionierung des Katalysators, die in diesem Fall auch als Regeneration bezeichnet wird, in situ bevorzugt. Die Regenerationsintervalle hängen von den jeweiligen Prozessen ab.
Die Konditionierung erfolgt dadurch, dass durch die Katalysatorschüttung für einen relativ kurzen Zeitraum in der Größenordnung von mehren Stunden bis zu wenigen Tagen ein Konditioniergas geleitet wird. Dieses hat eine Zusammensetzung, eine Temperatur und einen Druck, die dem jeweiligen Prozess angepasst sind. Es finden Oxidationsreaktionen oder Reduktionsreaktionen statt. Jede Einflussgröße hat entsprechende konstruktive Maßnahmen zur Folge. Die Zusammensetzung und den Druck kann man durch Umschaltvorrichtungen vor dem Reaktor in der Regel gut verändern.
Das wesentliche Problem eines jeden Konditionierungsprozesses ist die Einhaltung einer bestimmten Temperatur an jeder Stelle der Katalysatorschüttung. Hierfür reicht es nicht aus, nur das Konditioniergas vor dem Reaktor zu temperieren, da dieses schon nach einer kurzen Einlaufstrecke die gerade im Reaktor vorherrschende Temperatur annimmt. Zudem ist der Konditionierungsprozess meist entweder endotherm oder exotherm. Eine Temperierung der Katalysatorschüttung von der Wärmeträgerseite ist somit unabdingbar. Die Schwierigkeit liegt nun darin, dass das jeweilige Wärmeträgersystem aus wirtschaftlichen Gründen in der Regel sehr speziell an den jeweiligen Produktionsprozess angepasst ist und die erforderliche Konditionierungstemperatur erheblich über der Reaktionstemperatur im Produktionsprozess liegt und damit nicht eingestellt werden kann. Für die Dauer der Konditionierung wird daher der produktions- bzw. betriebsmäßige Wärmeträger durch einen solchen ersetzt, welcher die Konditionierungstemperatur einhalten kann.
Bei chemischen Produktionsprozessen mit Reaktionstemperaturen unter 300°C, die z. B. im Siedewasserbetrieb gefahren werden können, werden nur wegen kurzzeitiger Regenerationsprozesse mit Temperaturen über 400°C Salzschmelzen als Wärmeträger für den gesamten Betrieb verwendet. Die Verwendung von Salzschmelzen als Wärmeträger ist jedoch aufwändiger als eine direkte Siedewasserkühlung.
Ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung sind aus der gattungsgemäßen DE 38 19 357 A1 bekannt. Das Verfahren betrifft die Regeneration eines körnigen Katalysators in den Reaktionsrohren eines Rohrbündelreaktors, welcher für einen Druck von 20 bis 150 bar ausgelegt ist, und dessen Reaktionsrohre durch eine den Mantelraum durchströmende Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Bei diesem Regenerationsprozess wird zunächst die Kühlflüssigkeit aus dem Mantelraum entfernt, anschließend wird der Katalysator im direkten Kontakt mit heißem Regeneriergas auf Temperaturen erhitzt, die 100 bis 400°C über denjenigen bei Produktionsbedingungen liegen. Anschließend wird in den Mantelraum ein gas- oder dampfförmiges Heizmedium eingeleitet, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen der Außenseite der Reaktionsrohre und der Innenseite des Reaktormantels auf höchstens 100°C gehalten wird. Vor Beginn der Regeneration kann der Katalysator mit heißem Stickstoff gespült werden. Als Wärmeträger kann z. B. heißer Stickstoff oder überhitzter Wasserdampf verwendet werden. Die Wechsel der Betriebszustände werden mit Hilfen von Ventilen herbeigeführt. Angaben zu weiteren Einzelheiten des im Regenerationsprozess verwendeten Wärmeträgersystems werden nicht gemacht. Bei dieser Art der Temperierung verändert sich jedoch die Temperatur des gas- oder dampfförmigen Heizmediums auf dessen Weg vom Eintritt in den Mantelraum bis zum Austritt beträchtlich, so dass in Längsrichtung der Reaktionsrohre die Temperaturverteilung stark ungleichmäßig wird, was nachteilig ist für eine gleichmäßige Regeneration des Katalysators.
Die WO 2009/118372 A1 beschreibt ein Verfahren zur in-situ-Regeneration eines in einem Fischer-Tropsch-Prozess deaktivierten Kobalt und Titan enthaltenden Katalysators in einem Festbett durch einen Oxidationsschritt bei einer Temperatur zwischen 580°C und 670°C und einem nachfolgenden Reduktionsschritt mit einem wenigstens teilweise Wasserstoff enthaltenden Gas. Der Katalysator befindet sich vorzugsweise in Reaktionsrohren eines Rohrbündelreaktors, die auf der Mantelseite während der Regeneration von Wasser und/oder Dampf gekühlt werden. Im stationären Betrieb wird der Fischer-Tropsch-Prozess bei Temperaturen zwischen 100 und 600°C und Drücken zwischen 5–150 bar durchgeführt. Weitere Angaben zum Wärmeträgersystem werden nicht gemacht.
Aus der DE 34 39 176 A1 ist ein Verfahren und Reaktor zur Durchführung einer endothermen Reaktion bekannt, bei der ein Einsatz über einem Katalysator dehydriert und der durch C-Ablagerungen desaktivierte Katalysator unter Wärmeabgabe regeneriert wird. Es wird vorgeschlagen, die bei der Katalysatorregenerierung frei werdende Wärme mittels eines Wärmeträgers der Dehydrierung zuzuführen. Die Vorrichtung weist ein Gebläse und eine Heizeinrichtung auf. Als Wärmeträger werden Gase mit hoher Wärmekapazität genutzt, insbesondere unter Druck stehendes Kohlendioxid.
Die bekannten Lösungen zum Temperieren eines Rohrbündelreaktors, insbesondere während der Konditionierung der Katalysatorschüttung, sind immer noch relativ ineffektiv und/oder aufwändig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Temperiervorrichtung und ein Verfahren zum Temperieren, insbesondere zum Konditionieren, eines Rohrbündelreaktors vorzuschlagen, mit denen eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung sowie eine hohe Wärmeabfuhr oder -zufuhr erzielt und gleichzeitig der technische sowie der Kostenaufwand weiter verringert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Temperiervorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Druckgasversorgung einen Druck im Bereich von 5 bis 100 bar sicherstellt und die Temperiervorrichtung einen so geringen Bauraum einnimmt, dass sie transportierbar ist. Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine mobile Temperiervorrichtung mit hoher Temperierleistung geschaffen. Dadurch, dass die Druckgasversorgung einen Druck im Bereich von 5 bis 100 bar sicherstellt, sind bei gegebenem Massendurchsatz der Volumenstrom und damit die Strömungsgeschwindigkeit relativ gering. Der Druckverlust sinkt damit annähernd linear mit steigendem Druck bei gleichem Massendurchsatz.
Umgekehrt ist es möglich, bei gegebenen Strömungsquerschnitten des Reaktorsystems einen höheren Massendurchsatz bei bleibendem Druckverlust umzuwälzen. Ein höherer Massendurchsatz bedeutet eine höhere Wärmeaufnahmefähigkeit des Temperiergases und einen höheren Wärmeübergang an den Reaktionsrohrwänden. Dabei erhöht sich die Temperatur des Druckgases im Rohrbündelreaktor nur geringfügig, so dass die Temperaturverteilung sowohl über den Querschnitt des Rohrbündelreaktors als auch in Längsrichtung der Reaktionsrohre äußerst gleichmäßig ist. Damit kann eine hohe Temperierleistung erzielt werden, ohne einen überproportional starken Anstieg der Antriebsleistung des Umwälzgebläses in Kauf nehmen zu müssen. Dadurch kann Platz und Gewicht beim Antriebsmotor und dessen elektrischen Versorgungseinrichtungen gespart werden. Gleichzeitig können die Strömungsquerschnitte der Apparate und inneren Rohrleitungen der Temperiervorrichtung kleiner gewählt werden, wodurch sich ihr Bauraum verringert. Erfindungsgemäß wird dies genutzt, um den Bauraum der Temperiervorrichtung so zu verringern, dass diese transportierbar ist. Die Temperiervorrichtung wird zum Temperieren zum Rohrbündelreaktor hintransportiert und nach Beendigung des Temperiervorganges wieder abtransportiert. Hierdurch werden die Kosten für eine stationäre Temperiervorrichtung vermieden, die ansonsten bei jedem Rohrbündelreaktor vorgesehen sein müsste. Durch den Einsatz einer mobilen Temperiervorrichtung nacheinander an mehreren Reaktorsystemen reduzieren sich die relativen Investitionskosten pro Reaktorsystem.
Vorzugsweise weist die Druckgasversorgung einen Kompressor auf. Das Druckgas kann damit auf einfache und kostengünstige Weise erzeugt werden.
In günstiger Ausgestaltung der Erfindung weist das Druckgas einen Druck im Bereich von 5 bis 50 bar und bevorzugt im Bereich von 10 bis 30 bar auf. In diesen Druckbereichen, insbesondere im Bereich von 10 bis 30 bar, wird bereits eine erhebliche Steigerung der Temperierleistung erzielt mit einem nur relativ geringen Anstieg der Antriebsleistung des Umwälzgebläses.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Temperiervorrichtung auf einem transportierbaren Rahmen montiert. Dies ist möglich aufgrund der wegen des verringerten Bauraums sehr kompakten Ausbildung der Temperiervorrichtung. Diese kann damit auf einfache Weise zu verschiedenen Reaktorsystemen transportiert werden. Die Außenmaße eines solchen transportierbaren Rahmens entsprechen dabei vorzugsweise der Grundfläche handelsüblicher Frachtcontainer, beispielsweise beträgt die Breite 2,438 m (8 Fuß) bei einer Länge von 6,058 m (20 Fuß) oder 12,192 m (40 Fuß).
Vorzugsweise weist die Temperiervorrichtung zwei Anschlussleitungen zum Anschluss an den Wämreträgereinlass bzw. den Wärmeträgerauslass des Wärmeträgerraums auf, von denen zumindest eine ein elastisches Zwischenstück aufweist. Durch diese flexiblen Anschlüsse sind aufwändige Anpassungen an den Anschlüssen des Reaktorsystems zum Ausgleich von Lagetoleranzen nicht erforderlich. Insbesondere bei einer mobilen Ausführung der Temperiervorrichtung wird durch diese Maßnahmen ein Anschluss an unterschiedliche Reaktorsysteme ohne weiteres möglich.
Dabei weisen die elastischen Zwischenstücke einstellbare Zugentlastungen zur Aufnahme von Innendruckkräften auf. Hierdurch können die elastischen Zwischenstücke auf einfache Weise Innendruckkräfte aufnehmen, ohne die anschließenden Rohrleitungsteile zu belasten.
In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung weist die Temperiervorrichtung eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Temperiergases auf, die dazu eingerichtet ist, Wasser direkt in den Temperiergas-Kreislauf einzuspritzen. Hierdurch ist eine einfache und schnelle Einstellung der Soll-Temperatur des Temperiergases möglich.
Bevorzugt weist die Temperiervorrichtung Regeleinrichtungen zum Regeln der Temperatur und des Drucks des Temperiergases auf. Temperatur und Druck des Temperiergases können so zuverlässig gehalten werden.
Bevorzugt enthält das Temperiergas Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf oder ein Gemisch daraus. Diese Gase sind einfach verfügbar und damit relativ kostengünstig.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zum Konditionieren einer Katalysatorschüttung in einem Rohrbündelreaktor, dessen Wärmeträgerkreislauf in der Produktionsphase von einem flüssigen oder teilverdampfenden Wärmeträger durchströmt wird, während des Umwälzens des Temperiergases die Temperatur und gegebenenfalls der Druck des Temperiergases auf die Starttemperatur des Konditioniervorganges erhöht und das Konditioniergas durch die Katalysatorschüttung geleitet. Das Konditionieren einer Katalysatorschüttung umfasst auch das Regenerieren einer gebrauchten Katalysatorschüttung. Mit diesen Maßnahmen ist auf einfache Weise eine in-situ-Konditionierung einer Katalysatorschüttung in einem Rohrbündelreaktor möglich. Aufgrund des Druckgases ist die Temperaturverteilung des Temperiergases sowohl quer zu den Reaktionsrohren als auch in deren Längsrichtung äußerst gleichmäßig, so dass auch der Konditioniervorgang innerhalb der gesamten Katalysatorschüttung gleichmäßig abläuft und somit eine gleichmäßige Qualität der Katalysatorschüttung gewährleistet ist. Zur Unterstützung des Arbeitsvorganges kann im Schritt d) des Anspruchs 9 auch ein Heizgas vor dem Konditioniergas durch die Katalysatorschüttung geleitet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Fließbild für eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung, die in den Wärmeträgerkreislauf eines Rohrbündelreaktors geschaltet ist;
2a in schematischer Darstellung eine Seitenansicht auf eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung, die in den Wärmeträgerkreislauf eines Rohrbündelreaktors geschaltet ist; und
2b in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf die zweite Ausführungsform aus 2a.
1 zeigt schematisch ein Fließbild mit einem Rohrbündelreaktor 100 und den Komponenten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 102.
Der hier gezeigte Rohrbündelreaktor 100 ist einzonig ausgeführt. Er weist eine Vielzahl von katalysatorgefüllten Reaktionsrohren 103 auf, die in einem Rohrbündel 104 angeordnet sind. Die Reaktionsrohre 103 sind abdichtend in einem oberen Rohrboden 105 und in einem unteren Rohrboden 106 befestigt. Die Rohrböden 105, 106 sind an ihrem Außenbereich mit einem zylindrischen Reaktormantel 107 verbunden, der das Rohrbündel 104 umschließt. Rohrböden 105, 106 und Reaktormantel 107 bilden gemeinsam einen Mantelraum 108 aus, in dem ein im Normalbetrieb Wärmeträger 109 die Reaktionsrohre 103 umspült. Das Rohrbündel 104 kann z. B. über einen vollflächigen Querschnitt berohrt sein oder ringförmig mit einem rohrfreien Innenraum ausgeführt sein. Häufig ist auch zwischen einem ringförmigen Rohrbündel 104 und dem Reaktormantel 107 ein rohrfreier Aussenring ausgebildet. Der obere Rohrboden 105 kann durch einen oberen Flansch mit einer oberen Gaseintrittshaube 110 verbunden sein, der untere Rohrboden 106 durch einen unteren Flansch mit einer unteren Gasaustrittshaube 111. Bei hohen Betriebsdrücken auf der Reaktionsgasseite und/oder der Wärmeträgerseite kann es vorteilhaft sein, die Flanschverbindungen durch Schweißverbindungen zu ersetzen, wie in 1 dargestellt. Die Reaktionsrohre 103 münden in die Gaseintrittshaube 110 und in die Gasaustrittshaube 111. Die Gaseintrittshaube 110 weist einen Gaseintrittsstutzen 112, die Gasaustrittshaube 111 einen Gasaustrittsstutzen 113 auf. Der Wärmeträger 109 wird durch geeignete Strömungsleiteinrichtungen durch den Mantelraum 108 des Rohrbundelreaktors 100 geführt. Er wird bei dem dargestellten Reaktor 100 über eine obere und untere Ringleitung 114, 115 und jeweiligen oberen bzw. unteren Verbindungsleitungen 116, 117 auf den Umfang des Reaktors 100 verteilt bzw. gesammelt. Das zugehörige, hier nicht dargestellte Wärmeträgersystem, mit einer Umwälzeinrichtung, Temperiervorrichtungen und evtl. weiteren Komponenten, ist an ersten (in 1 rechten) Stutzen 118 der Ringleitungen 114, 115 angeschlossen.
Die Temperiervorrichtung 102 weist ein erstes Umlaufgebläse 119 auf, das an die untere Ringleitung 115 angeschlossen ist. An die obere Ringleitung 114 ist ein Kühler 120 angeschlossen, der ein Wärmeaustauschteil 121 und ein zweites Gebläse 122 aufweist, das Umgebungsluft durch das Wärmeaustauschteil 121 fördert. In Strömungsrichtung hinter dem Kühler 120 ist ein Aufheizer 123 angeordnet. Bevorzugt ist ein Elektroaufheizer, weil elektrischer Strom meist leicht verfügbar ist und die Heizleistung in einem großen Bereich veränderbar ist. Die Heizleistung ist über eine Regeleinrichtung 124 einstellbar. Zwischen Aufheizer 123 und erstem Umlaufgebläse 119 ist eine Druckgasversorgung 125 angeschlossen. Diese ist als Kompressor ausgebildet, der über ein Rückschlagventil 126 Umgebungsluft fördert. Der Kompressor 125 ist Teil einer Druckregelanlage 127, die auch einen Druckaufnehmer 128 und ein Entspannungsventil 129 aufweist.
Nachfolgend wird der Betrieb für einen ersten Betriebszustand und einen zweiten Betriebszustand beschrieben. Unter einem ersten Betriebszustand wird hier der Normalbetrieb des Rohrbündelreaktors 100 verstanden, bei dem Reaktionsgase 130 in den Reaktor 100 hineingeführt werden, in diesem chemisch reagieren und aus diesem wieder herausgeführt werden, wobei der im Mantelraum 108 des Rohrbündelreaktors 100 umlaufende Wärmeträger 109 die Reaktionstemperatur kontrolliert. Unter einem zweiten Betriebszustand wird im Folgenden ein Konditioniervorgang verstanden, bei dem der Reaktor 100 auf der Rohrseite mit einem Gas 131 durchströmt wird, welches eine andere Zusammensetzung besitzt als das im ersten Betriebszustand verwendete. Außerdem hat bei diesem zweiten Betriebszustand der Wärmeträger 132 andere Eigenschaften als der im ersten Betriebszustand. Insbesondere ist er ein Druckgas und hat ferner z. B. eine andere Zusammensetzung, eine andere Temperatur, oder eine Kombination dieser Eigenschaften. Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 102 findet vorzugsweise für diesen zweiten Betriebszustand Anwendung. Bei diesem Betriebszustand wird beispielsweise ein Gas zur Regeneration des Katalysators durch die Reaktionsrohre 103 geführt und die Temperatur des Wärmeträgers 132 deutlich über diejenige des ersten Betriebszustandes erhöht unter Verwendung eines gasförmigen Wärmeträgers.
Im ersten Betriebszustand tritt das Reaktionsgas 130 über den oberen Gaseintrittsstutzen 112 in die obere Gaseintrittshaube 110 ein, wird dort auf den oberen Rohrboden 105 verteilt, strömt durch die Reaktionsrohre 103 und durch den unteren Gasaustrittsstutzen 113 der unteren Gasaustrittshaube 111 aus dem Reaktor 100 wieder heraus. Gleichfalls ist es möglich, das Reaktionsgas 130 von unten nach oben durch den Reaktor 100 zu führen.
Die im ersten Betriebszustand ablaufenden Reaktionen werden mit dem im Mantelraum 108 umlaufenden Wärmeträger 109 kontrolliert. Dabei kann der Wärmeträger 109 entweder in die untere oder in die obere Ringleitung 115, 114 eingeführt werden und aus der jeweils anderen Ringleitung 114, 115 wieder heraus geführt werden. Im Falle der Kühlung einer exothermen Reaktion mit Hilfe eines verdampfenden Wärmeträgers, bevorzugt Wasser, wird der flüssige Wärmeträger 109 in den unteren Ringkanal 115 eingeführt und dort über den Umfang verteilt. Über eine Vielzahl von unteren Verbindungsleitungen 117 wird er in den Mantelraum 108 des Reaktors 100 hineingeführt und dort mit geeigneten, hier nicht dargestellten, Strömungsleiteinrichtungen gleichmäßig über die Querschnittsfläche des Reaktors 100 verteilt. Das im Reaktor 100 entstehende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch wird über eine Vielzahl von oberen Verbindungsleitungen 116 in den oberen Ringkanal 114 geleitet und von diesem durch einen oberen Stutzen aus dem Reaktor 100 heraus geführt.
Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 102 findet vorzugsweise Anwendung für den zweiten Betriebszustand. Hierbei wird das Reaktionsgas 130 ersetzt durch ein Konditioniergas 131, dessen Zusammensetzung, Druck und Temperatur von der Art des verwendeten Katalysators abhängig ist. Bei diesem zweiten Betriebszustand wird das Wärmeträgersystem des ersten Betriebszustandes ersetzt oder ergänzt durch die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 102. Hierfür wird im Fall einer Regeneration zunächst der flüssige Wärmeträger 109 aus dem Mantelraum 108 des Rohrbündelreaktors 100 entfernt. Die von den Ringleitungen 114, 115 wegführenden Wärmeträgerleitungen des Wärmeträgersystems für den ersten Betriebszustand können zur Vermeidung unerwünschter Bypässe abgesperrt werden. Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 102 wird über zwei Anschlussleitungen 133, 134 mit Flanschverbindungen 135, 136 vorzugsweise an separate Stutzen 137, 138 an der oberen Ringleitung 114 und an der unteren Ringleitung 115 des Rohrbündelreaktors 100 angeschlossen. Alternativ kann der Anschluss an anderen Stellen der Wärmeträgerleitungen erfolgen, bevorzugt nahe beim Rohrbündelreaktor 100.
Als Wärmeträger 132 des zweiten Betriebszustandes wird Druckgas im geschlossenen Kreislauf geführt. Das Druckgas 132 enthält dabei Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf oder einem Gemisch daraus. Es wird mit dem ersten Umlaufgebläse 119 in den Rohrbundelreaktor 100 gefördert. Zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs wird das Druckgas 132 mit Strömungsleiteinrichtungen vorzugsweise quer durch das Rohrbündel 104 geführt, ggf. unter Verwendung von speziellen Vorrichtungen. Das Druckgas 132 tritt über die oberen Verbindungsleitungen 116 aus dem Reaktor 100 heraus, wird im oberen Ringkanal 114 gesammelt und tritt aus diesem aus einem oberen Stutzen 137 heraus. Je nach Art des Konditionierprozesses wird den Reaktionsrohren 103 entweder Wärme zugeführt oder Wärme von diesen abgeführt. Entsprechend muss das Druckgas 132 entweder gekühlt oder aufgeheizt werden. Im Falle einer Kühlung durchströmt das vom oberen Ringkanal 114 kommende Druckgas 132 einen Kühler 120, der bevorzugt als Luftkühler ausgeführt ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Druckgas 132 durch eine in 1 nicht gezeigte Mischvorrichtung gekühlt werden, in welcher das Druckgas 132 durch Direkteinspritzung von Wasser gekühlt wird.
Ist der Konditionierprozess endotherm, nimmt also Wärme auf, so wird das Druckgas 132 in dem Aufheizer 123 aufgeheizt. Anschließend wird das Druckgas 132 über das erste Umlaufgebläse 119 wieder in den Rohrbündelreaktor 100 gefördert. Die in Serie geschalteten Komponenten der Temperiervorrichtung 102 können dabei in ihrer Reihenfolge auch verändert werden. So kann es sinnvoll sein, den Aufheizer erst in Strömungsrichtung hinter dem ersten Umlaufgebläse oder parallel zu diesem anzuordnen. Zur Aufrechterhaltung des Betriebsdrucks im Wärmeträgersystem ist die Druckregelanlage 127 vorgesehen. Dabei misst der Druckaufnehmer 128 den Druck. Ist der Druck zu niedrig, wird dieser durch den Kompressor 125 erhöht, der an einer geeigneten Stelle im Wärmeträgersystem angeschlossen ist. Bei zu hohem Druck wird ein Entspannungsventil 129 geöffnet.
Als Beispiel für die Effizienz der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 102 und des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Aktivierung einer neuen Katalysatorschüttung in einem Rohrbündelreaktor 100 mit radialer Führung des Wärmeträgers für den darauffolgenden Normalbetrieb berechnet. Zum Vergleich wurde die Aktivierung im Fall 1 mit Luft bei Umgebungsdruck und im Fall 2 mit Druckluft berechnet.
Technische Daten:

13300 Reaktionsrohre mit Außendurchmesser 30 mm und Länge 8 m.
Manteldurchmesser 4900 mm.
Ein- und Austrittsstutzen des Wärmeträgers Nennweite DN800.
Die Aktivierung soll bei ca. 300°C durchgeführt werden und eine Wärme von 200 KW aus dem Reaktor abgeführt werden.
Fall 1: Umwälzung von Luft mit 300°C Eintrittstemperatur bei Umgebungsdruck durch eine Temperiereinrichtung mit 50000 m3/h Fördermenge.
Fall 2: Umwälzung von Luft mit 300°C Eintrittstemperatur bei 20 bar Absolutdruck durch eine erfindungsgemäße Temperiereinrichtung mit 19000 m3/h Fördermenge.

Tabelle 1: Vergleichsberechnung

		Fall 1	Fall 2
Massenstrom	kg/h	30400	231000
Druckverlust des Kreislaufs	Pa	5830	15420
Theoretisch erforderliche Umwälzleistung	kW	81	81,4
Temperaturerhöhung der Luft im Reaktor	K	22,7	3,0
Mittlerer Wärmeübergangskoeffizient Luft/Rohre	W/m2K	60	190

Wie den in Tabelle 1 wiedergegebenen Ergebnissen zu entnehmen ist, beträgt die Erhöhung der Lufttemperatur im Reaktor im Fall 1 22,7 K und im Fall 2 lediglich 3,0 K. Der mittlere Wärmeübergangskoeffizient Luft/Reaktionsrohre beträgt im Fall 1 60 W/m2K und im Fall 2 190 W/m2K. Im Fall 2 lässt sich somit ein deutlich besserer Grad der Temperierung, d. h. der Temperaturgleichheit und des Wärmeübergangs zum Reaktionsrohr 103 erzielen, bei annähernd gleicher erforderlicher Umwälzleistung.
In den 2a und 2b ist eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 102 als kompakt auf einem transportierbaren Rahmen 139 montierte Einheit gezeigt. Der Rahmen 139 kann, wie hier gezeigt, mit Hebeösen 140 angehoben und von einem Transportwagen an den Aufstellungsort gehoben werden. Es sind auch andere Konstruktionen möglich. Beispielsweise kann der Rahmen als Container ausgeführt sein mit Gleitkufen und einem Hebeanschluss, an den ein Zughaken eines Lastkraftwagens ansetzen kann, um den Container auf seine Ladefläche zu ziehen. Nach der Aufstellung erfolgt der Anschluss über eine Anschlussleitung 134 der Druckseite und über eine Anschlussleitung 133 der Saugseite. Die von den Ringleitungen 114, 115 des Reaktors 100 kommenden Reaktoranschlüsse müssen mit den Anschlusspositionen der Temperiervorrichtung 102 möglichst gut übereinstimmen. Die Anschlusspositionen können praktisch jedoch nur begrenzt eingehalten werden, beispielsweise auf Grund von Toleranzen oder örtlichen Gegebenheiten, die einen Lageversatz hervorrufen.
Mindestens eine der Anschlussleitungen 133, 134 verfügt daher über eine Flanschverbindung 135, 136 mit elastischem Zwischenstück 141, 142. Hierdurch sind Lageversatze von Anschlüssen in einem gewissen Bereich ausgleichbar. Sind die Leitungen miteinander verbunden, so werden die Verbindungsstellen mit den elastischen Zwischenstücken 141, 142 durch einstellbare Zugentlastungen 143, 144 zur Aufnahme der Innendruckkräfte in ihrer Lage fixiert.
Die einzelnen Komponenten der Temperiervorrichtung 102 sind auf dem transportierbaren Rahmen 139 in einer kompakten, Platz sparenden Einheit angeordnet. Die Anschlussleitung 133 der Saugseite führt zum Kühler 120, der hier als Luftkühler ausgeführt ist. Von dort führt eine Druckgasleitung 145 in den Elektroaufheizer 123 und von dort in das erste Umlaufgebläse 119, von wo sie über ein elastisches Zwischenstück 142 zum Reaktor 100 führt. Der Druck wird durch einen neben dem Elektroaufheizer 123 angeordneten Kompressor 125 aufrecht erhalten. Die Druckleitung 146 vom Kompressor 125 führt oberhalb des Elektroaufheizers 123 zur Zuleitung zum ersten Gebläse 119. Der Anschluss kann jedoch auch an anderer Stelle erfolgen, z. B. über eine kurze Verbindungsleitung vom Kompressor 125 bis zur Rohrleitung 145 zwischen Kühler 120 und Elektroaufheizer 123. Die Regeleinrichtungen sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht dargestellt.
Die Merkmale der Erfindung sind nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt. So können diese beispielweise in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden. Die Vorrichtung ist weiterhin sinngemäß einsetzbar bei mehrzonigen Rohrbündelreaktoren, wie sie z. B. in EP 1 590 076 A1 beschrieben sind, mit Anschluss an die Wärmeträgerseite einer oder mehrerer Zonen. Die Vorrichtung ist insbesondere geeignet für einen Einsatz bei nicht betriebsmäßigen Zuständen und Prozessen. Sie kann eingesetzt werden z. B. für die Aktivierung und Regenerierung des Katalysators, ferner für die gezielte Deaktivierung des Katalysators durch einen Oxidationsprozess, wenn ein stark reaktiver Katalysator aus dem Inneren des Reaktors entfernt werden soll, oder für Kalzinierungsprozesse.

Claims

Temperiervorrichtung zum Temperieren eines Rohrbündelreaktors für katalytische Reaktionen, mittels eines Temperiergases, wobei der Rohrbündelreaktor einen Katalysatorraum und einen an diesen angrenzenden, aber von diesem getrennten Wärmeträgerraum aufweist, und wobei die Temperiervorrichtung mit einem Wärmeträgereinlass und einem Wärmeträgerauslass des Wärmeträgerraums in Strömungsverbindung bringbar ist und das Temperiergas die Temperiervorrichtung und den Wärmeträgerraum im Kreislauf durchströmt, mit einer Druckgasversorgung, einer Heizeinrichtung für das Temperiergas und einer Fördereinrichtung für das Temperiergas, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgasversorgung (125) einen Druck im Bereich von 5 bis 100 bar sicherstellt und die Temperiervorrichtung (102) einen so geringen Bauraum einnimmt, dass sie transportierbar ist.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgasversorgung einen Kompressor (125) aufweist.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas (132) einen Druck im Bereich von 5 bis 50 bar und bevorzugt im Bereich von 10 bis 30 bar aufweist.
Temperiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf einem transportierbaren Rahmen (139) montiert ist.
Temperiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Anschlussleitungen (134, 133) zum Anschluss an den Wärmeträgereinlass (138) bzw. den Wärmeträgerauslass (137) des Wärmeträgerraums (108), von denen zumindest eine ein elastisches Zwischenstück (141, 142) aufweist.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Zwischenstücke (141, 142) einstellbare Zugentlastungen (143, 144) zur Aufnahme von Innendruckkräften aufweisen.
Temperiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Temperiergases (132), die dazu eingerichtet ist, Wasser direkt in den Temperiergas-Kreislauf einzuspritzen.
Temperiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Regeleinrichtungen (124, 127) zum Regeln der Temperatur und des Drucks des Temperiergases (132).
Verfahren zum Temperieren eines Rohrbündelreaktors (100) für katalytische Reaktionen, mittels eines Temperiergases (132), wobei der Rohrbündelreaktor (100) einen Katalysatorraum (103) und einen an diesen angrenzenden, aber von diesem getrennten Wärmeträgerraum (108) aufweist und der Wärmeträgerraum (108) Teil eines Wärmeträgerkreislaufes ist, in dem das Temperiergas (132) geführt wird, mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Temperiervorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und Transportieren der Temperiervorrichtung (102) zum Rohrbündelreaktor (100); b) Schalten der Temperiervorrichtung (102) in den Wärmeträgerkreislauf; c) Befüllen des Wärmeträgerkreislaufes mit dem Temperiergas (132) mit einem vorgegebenen Druck; d) Umwälzen des Temperiergases (132); und e) nach Beendigung des Temperiervorgangs Abtransportieren der Temperiervorrichtung (102).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiergas (132) Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf oder ein Gemisch daraus enthält.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Konditionieren einer Katalysatorschüttung in einem Rohrbündelreaktor (100), dessen Wärmeträgerkreislauf in der Produktionsphase von einem flüssigen oder teilverdampfenden Wärmeträger (109) durchströmt wird, während Schritt d) folgende Schritte durchgeführt werden: d1) Erhöhen der Temperatur und gegebenenfalls des Drucks des Temperiergases (132) auf die Starttemperatur des Konditioniervorganges; und d2) Leiten des Konditioniergases (131) durch die Katalysatorschüttung.