DE102012012997A1

DE102012012997A1 - Selbstfixierende strukturierte Packung für Wärme- und/oder Stoffaustausch

Info

Publication number: DE102012012997A1
Application number: DE201210012997
Authority: DE
Inventors: Johann Ferstl; Dipl.-Ing. Lahne Ulrich
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Struktur (20), welche mindestens ein Strukturblech (22) aufweist. Das Strukturblech (22) ist bogenförmig um ein zentrales, rohr- oder stabförmiges Montageelement (40) angeordnet und weist mindestens zwei Lagen (24, 26) mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Die Strukturbleche (22) sind insbesondere aus katalytisch aktivem Material und/oder mit diesem beschichtet. Außerdem betrifft die Erfindung einen Reaktor (10), ein Verfahren zum Fixieren einer Struktur (20) in einem Rohr (14) eines Reaktors (10) sowie ein Verfahren zum Katalysieren einer Reaktion. Ebenfalls Bestandteil der Erfindung ist der Einsatz der Strukturbleche (22) ohne katalytische Wirkung als Stoffaustauschpackungen z. B. in Rektifikationskolonnen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Struktur für einen Wärme- und/oder Stoffaustausch, welche mindestens ein Strukturblech aufweist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Reaktor mit einem oder mehreren Rohren und in den Rohren angeordneten Strukturen, welche mindestens ein Strukturblech aufweisen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 14 zum Fixieren einer Struktur in einem Rohr bzw. Behälter eines Reaktors bzw. einer Kolonne und ein Verfahren zum Katalysieren einer Reaktion gemäß Anspruch 15.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Struktur für Stoffaustausch-Kolonnen oder für Katalysatoren.
Katalysatoren werden zur Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit und zur Verbesserung der Produktselektivität eingesetzt. Die eigentliche aktivierende Substanz, das Katalysatormaterial, wird auf Trägerkörper, beispielsweise in Form keramischer Träger, aufgebracht. Die Trägerkörper sind zumeist Partikel, beispielsweise Kugeln, Extrudate oder Formkörper (zum Beispiel Rasching Ringe). Bei einer heterogenen Katalyse in einem Schüttschichtreaktor werden die Partikel in einen Behälter oder ein Rohr eingefüllt und dann von den an der Reaktion teilnehmenden Fluiden (Gase und/oder Flüssigkeiten) umströmt.
Insbesondere bei Prozessen, die mit einer starken Wärmetönung ablaufen, wird angestrebt, die bei der Reaktion entstehende oder aufzunehmende Wärme möglichst effektiv ab- beziehungsweise zuzuführen, um vorgegebene Temperaturgrenzwerte einhalten zu können. Ein begrenzender Faktor besteht dabei häufig in dem Wärmeübergang oder Wärmetransport zwischen den Katalysatorträgern und der Wand des Reaktors, welche beispielsweise eine Heiz- oder Kühlfläche darstellen kann. Ein Grund hierfür ist die schlechte Wärmeleitfähigkeit der verwendeten keramischen Partikel.
Bei der Verwendung von Partikelschüttungen für heterogen katalysierte Reaktionen besteht zudem das Problem, dass die keramischen Partikel nach einem längeren Betrieb, insbesondere nach vielfachen Temperaturwechseln, häufig spröde werden und teilweise zerfallen. Dies führt zu einem Staubaustrag und zu einem erhöhten Druckverlust im Reaktor.
Zur Überwindung der genannten Nachteile sind alternativ zu den Partikelschüttungen strukturierte Katalysatorträger aus Metall, insbesondere Edelstahl, vorgeschlagen worden. Durch die metallischen Katalysatorträger lässt sich ein besserer Wärmeübergang beziehungsweise Wärmetransport realisieren, da Metall bessere Wärmeleitungseigenschaften aufweist als Keramik. Zudem können Druckverluststeigerungen erheblich eingeschränkt werden, da die metallischen Körper nicht zerfallen. Zudem bieten strukurierte Packungen wesentlich größere Oberflächen als Partikelschüttungen.
Nachteilig bei den strukturierten Trägerkörpern aus Metall ist jedoch, dass sich diese – im Gegensatz zu den Partikelschüttungen – nur relativ schwer in die Reaktorbehälter, meist Rohre, einbringen beziehungsweise aus diesen entfernen lassen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Struktur für den Wärme- und/oder Stoffaustausch, insbesondere für ein Katalysatormaterial, einen Reaktor sowie ein Verfahren zum Fixieren einer Struktur in einem Rohr eines Reaktors und zum Katalysieren einer Reaktion anzugeben, welche bei einem guten Wärmetransport eine einfache Montierbarkeit ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Die Struktur ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturblech bogenförmig um ein zentrales, rohr- oder stabförmiges Montageelement angeordnet ist und mindestens zwei Lagen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Die Struktur ist insbesondere eine solche eines Katalysatorträgers mit Struktur-/Trägerblechen für das Katalysatormaterial.
Hinsichtlich des Reaktors ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Strukturblech bogenförmig um ein zentrales, rohr- oder stabförmiges Montageelement angeordnet ist. Das Strukturblech weist mindestens zwei Lagen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf und/oder ist durch Drehung des Montageelements um dessen Längsachse in seiner räumlichen Gestalt veränderbar. Der Reaktor ist insbesondere ein Katalysator.
Bei dem Verfahren zum Fixieren einer Struktur in ein Rohr eines Reaktors ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Struktur in das Rohr eingeschoben und anschließend durch Erwärmen, Abkühlen und/oder Drehen um seine Längsachse gegen die Innenseite des Rohrs gepresst wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Katalysieren einer Reaktion wird eine erfindungsgemäße Struktur und/oder Reaktor verwendet.
Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, ein gekrümmtes, mindestens zweilagiges (Katalysator-)Strukturblech vorzusehen, dessen Lagen unterschiedliche Wärmeausdehnungen aufweisen. Die Lagen oder Schichten des Strukturblechs dehnen sich also bei einer Temperaturveränderung unterschiedlich stark aus. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungen der einzelnen Lagen ändert sich bei einer Temperaturveränderung die Krümmung des Strukturblechs und damit seine räumliche Gestalt.
Das Strukturblech liegt mit seinem radial inneren Ende an dem zentralen rohr- oder stabförmigen Montageelements an und erstreckt sich ausgehend hiervon in einer gebogenen Bahn radial nach außen. Die Änderung der Krümmung des Strukturblechs bewirkt folglich eine Änderung der radialen Ausdehnung beziehungsweise des Radius der Struktur. Bei einer Verminderung der Krümmung nimmt die radiale Ausdehnung des Strukturblechs ausgehend von dem zentralen Montageelement zu, während sich das Strukturblech bei einer Zunahme der Krümmung zusammenzieht und die radiale Ausdehnung abnimmt.
Auf diese Weise lässt sich die räumliche Ausdehnung und/oder Form der Struktur auf besonders einfache Weise, nämlich durch eine Änderung der Temperatur, wie sie durch die Führung der jeweiligen Prozesse vorgegeben ist zwischen einem radial zusammengezogenen Zustand und einem radial ausgedehnten Zustand einstellen oder verändern. In dem zusammengezogenen Zustand lässt sich die Struktur relativ einfach – also mit geringerem Kraftaufwand – in ein Rohr (Reaktionsrohr) eines Reaktorgehäuses einführen, während die Struktur nach Temperaturveränderung in dem ausgedehnten Zustand mit erhöhter Kraft und gegebenenfalls einer vergrößerten Kontaktfläche an dem Rohr anliegt. Der ausgedehnte Zustand bewirkt einen wärme- und strömungstechnisch erwünschten Kontakt mit der Rohrwand, so dass ein effektiver Wärmetransport zwischen der Struktur und der Innenseite des Rohres gewährleistet und eine übermäßige Randgängigkeit der Fluide vermieden wird. Zudem kann eine zuverlässige Fixierung der Struktur in dem Reaktor- bzw. Katalysatorgehäuse erreicht werden.
Die Erfindung stellt somit eine Struktur insbesondere für ein Katalysatormaterial bereit, welche zwischen einer zusammengezogenen Montageposition bei Umgebungstemperatur und einer ausgedehnten oder aufgespreizten Betriebsposition bei Prozesstemperatur verstellt werden kann.
Wenn die Struktur in einen Reaktorbehälter beziehungsweise ein Rohr eingebracht ist, bewirkt das Aufbiegen oder Aufspreizen des Strukturblechs bei Kontakt mit der Mantelfläche des Reaktorbehälters eine Spannung in dem Strukturblech, mittels welcher das Strukturblech mit einem Kontaktdruck gegen die innere Mantelfläche des Reaktorbehälters bzw. Rohres gedrückt wird. Dieser Kontaktdruck oder Anpressdruck, welcher gegenüber der Montageposition erhöht ist, bewirkt einen gegenüber der Montageposition verbesserten Wärmeübergang an der Kontaktfläche.
Bei in das Rohr eingesetzter Struktur kann die räumliche Gestalt und insbesondere der Anpressdruck unterstützend – oder gegebenenfalls auch alleine – zu dem thermischen Spannen durch ein mechanisches Spannen des Strukturblechs verändert werden. Hierzu wird bei dem erfindungsgemäßen Reaktor ein radial inneres Ende des Strukturblechs gegenüber einem radial äußeren Ende verdreht, so dass sich das Strukturblech nach Art einer Spiralfeder spannt. Das mechanische Spannen erfolgt erfindungsgemäß durch eine Rotation des zentralen Montageelements, mit welchem das Strukturblech drehfest verbunden ist. Das radial äußere Ende des Strukturblechs ist vorzugsweise kraft- oder formschlüssig an einer inneren Mantelfläche des Rohrs fixiert, so dass sich durch Drehung des Montageelements ein Spannungszustand aufbauen oder erhöhen lässt.
Erfindungsgemäß ist also das Strukturblech durch Temperaturveränderung und/oder durch Drehung des Montageelements in seiner räumlichen Gestalt oder Form veränderbar.
Das Katalysatormaterial kann grundsätzlich durch die Lagen des Strukturblechs selbst gebildet sein. Vorzugsweise ist jedoch die Struktur mit dem Katalysatormaterial, also der aktiven Substanz, beschichtet (bestrichen). Die Beschichtung kann hierbei entweder auf eine innere Fläche oder auf eine äußere Fläche des bogenförmigen Strukturblechs aufgebracht sein. Eine besonders gute Leistung des Katalysators lässt sich erreichen, wenn beide Seiten des Strukturblechs eine Beschichtung mit einem Katalysatormaterial aufweisen.
Unter einem ”Strukturblech” wird vorliegend insbesondere ein flaches, flächenförmiges Gebilde verstanden, das grundsätzlich beliebige Materialien enthalten kann. Beispielsweise könnte das Strukturblech aus nichtmetallischen Materialien, zum Beispiel einem oder mehreren Kunststofffolien, aufgebaut sein. Besonders bevorzugt ist es nach der Erfindung jedoch, dass das Strukturblech als Bimetall aufgebaut ist. Die Verwendung eines metallischen Strukturblechs, zum Beispiel eines wärmebeständigen Stahls, gewährleistet besonders gute Wärmeleitungseigenschaften. Wärme, die während einer Reaktion entsteht oder aufgenommen wird, kann somit effizient ab- beziehungsweise zugeführt werden.
Besonders bevorzugt ist es nach der Erfindung, dass das Strukturblech spiral- oder evolventenförmig um das zentrale Innenteil, also das Montageelement, angeordnet ist. Die spiral- oder evolventenförmige Gestalt des Strukturblechs gewährleistet eine effektive Aufspreizung und damit Vergrößerung der radialen Ausdehnung der Struktur bei Temperaturänderung. Zudem kann der zur Verfügung stehende Raum in einem Rohr oder Doppelrohr eines Reaktorbehälters effektiv genutzt werden. Es können auch mehrere Strukturbleche um das Montageelement angeordnet sein, beispielsweise in Form einer Mehrfachspirale oder durch eine rosetten- oder strahlförmige Anordnung mehrerer Strukturbleche um den Außenumfang des Montageelements. Insgesamt weist die Struktur vorzugsweise eine im Wesentlichen zylinderförmige äußere Form auf.
Besonders bevorzugt ist eine Katalysatorträgerstruktur, die ein gewickeltes, dünnes Blech (Strukturblech) aufweist. Das Blech hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,1 bis 1 mm, eine Wickelhöhe im Bereich von etwa 100 bis 1000 mm und einen Wickeldurchmesser von etwa 50 bis 500 mm. Das gewickelte Blech kann auch als Wickelpaket oder Wickelkörper bezeichnet werden.
Das Strukturblech umfasst erfindungsgemäß zwei oder mehr Schichten mit unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten, so dass sich bei einer Temperaturerhöhung, vorzugsweise ausgehend von einem Umgebungszustand, das Wickelpaket (die Wicklung) öffnet und dadurch in ein Rohr einspreizt. Das Wickelpaket beziehungsweise das Strukturblech erlangt dadurch festen Kontakt zu der Wand des Rohrs, welche beispielsweise beheizt sein kann. Bei Abkühlung zieht sich das Strukturblech (Wickelpaket) wieder zusammen und kann dann relativ leicht aus dem Rohr entfernt und gegebenenfalls ausgetauscht werden.
Vorzugsweise sind die Materialschichten des Strukturblechs so angeordnet, dass sich durch eine Temperaturerhöhung eine Aufbiegung oder Aufspreizung, also eine geringere Krümmung, des Strukturblechs und durch Temperaturabsenkung entsprechend eine größere Krümmung einstellt. Die Schicht mit der größeren Wärmeausdehnung ist hierzu an der Innenseite des gebogenen Strukturblechs (also der konkaven Fläche) und die Schicht mit der geringeren Wärmeausdehnung an der Außenseite (also der konvexen Fläche) angeordnet. Vorzugsweise ist die Krümmung so eingestellt, dass sich die Struktur etwa bei Umgebungstemperatur in das Rohr eines Reaktors einsetzen lässt. Durch Temperaturerhöhung auf eine Betriebstemperatur des Reaktors lässt sich der fest eingespannte Zustand mit dem erhöhten Kontaktdruck herstellen.
Umgekehrte thermische Eigenschaften der Materialschichten des Strukturblechs (größerer Wärmedehnung auf der konkaven Seite, kleinerer Wärmedehnung auf der konvexen Seite) sind für den Einsatz bei Prozessen unterhalb von Umgebungstemperatur z. B. im Tieftemperaturbereich vorzusehen. Hier stehen die Flüssigkeits- und Gasverteilungseigenschaften, wie z. B. die Minimierung der Randgängigkeit, wie sie bei Packungen in Trennkolonnen bedeutsam ist, im Vordergrund.
Grundsätzlich kann es ausreichend sein, dass das Strukturblech beziehungsweise der Wickelkörper lediglich an dem zentralen Montageelement anliegt und/oder sich an diesem abstützt. Erfindungsgemäß ist es jedoch bevorzugt, dass das Strukturblech beziehungsweise der Wickelkörper an dem zentralen, rohr- oder stabförmigen Montageelement befestigt (fixiert), beispielsweise verlötet, verschweißt oder in einer L-förmigen Nut eingeklemmt ist. Auf diese Weise wird eine Einheit aus Montageelement und Strukturblech (Wickelkörper) gebildet, die in das Rohr eingeführt und aus diesem gezogen werden kann. Die so gebildete Struktur eignet sich insbesondere für einen Dampfreformer (Steamreformer) mit von jeweils einem Mantelrohr (Außenrohr) umhüllten hängenden Bajonett-Rohren (Innenrohre). Hierbei bildet ein Ringspalt zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr den Katalysatorraum. Bei dem rohrförmigen Montageelement, also dem Innenrohr, kann es sich vorzugsweise um ein Gasrückführ- oder Gasausströmrohr handeln das gleichzeitig als Wärmetauschereinrichtung dienen kann
Außerdem gewährleistet die feste Verbindung zwischen Montageelement und Strukturblech eine zuverlässige Übertragung einer Rotationsbewegung des Montageelements auf das Strukturblech. Gegebenenfalls zusätzlich zu der thermischen Aufweitung oder Einspannung lässt sich somit das Strukturblech durch Drehung des Montageelements in einem Rohr eines Reaktors verspannen, um eine noch innigere Verbindung mit dem Rohr herzustellen. Das drehfest mit dem Strukturblech verbundene Montageelement kann zudem als ein Widerlager verwendet werden, gegen welches sich das Strukturblech bei temperaturinduzierter Aufspreizung abstützt, so dass sich eine zuverlässige Einspannung des Strukturblechs in ein Reaktorrohr erzielen lässt.
Das Einsetzen der Struktur in einen Reaktorbehälter lässt sich bevorzugt dadurch vereinfachen, dass das Montageelement einen Griffbereich aufweist. Der Griffbereich kann insbesondere durch einen Axialabschnitt des Montageelements gebildet sein, welcher axial über die gegebenenfalls mehreren Strukturbleche oder Wickelpakete hinausragt und so durch eine Montageperson mit geeigneten Werkzeugen gegriffen werden kann. Insbesondere lässt sich die Struktur durch den Griffbereich des Montageelements halten und als eine Einheit in einen Reaktorbehälter einsetzten. Außerdem ist es bevorzugt, dass die Struktur mittels des Griffbereichs um seine Längsachse gedreht werden kann, so dass sich das Montageelement zusammen mit mindestens einen daran befestigten Strukturblech in einem Reaktorbehälter beziehungsweise Rohr drehen lässt.
Der Griffbereich kann also vorzugsweise dazu verwendet werden, das an dem Montageelement befestigte Strukturblech zu bewegen, insbesondere zu drehen. Außerdem kann die gesamte Struktur mittels des Griffbereichs aus einem Rohr herausgezogen beziehungsweise in das Rohr eingebracht werden.
Das Strukturblech kann grundsätzlich glatt sein. Zur Verbesserung der Strömungsführung und Vermischung kann das Strukturblech aufgeprägte Strukturen oder Löcher (Perforierungen) enthalten. Die Prägungen sollten dabei möglichst nicht quer zur Bewegungsrichtung beim Ausdehnen und Zusammenziehen des Blechs verlaufen, um die ,freie' Bewegung beim Dehnen durch Temperaturänderungen oder mechanischem Drehen nicht zu behindern. Die Form und Anordnung soll bevorzugt ähnliche Gestaltung aufweisen, wie dies aus strukturierten Packungen für Einsätze in Rektifikationskolonnen bekannt ist. (z. B. nach oben offene trichterförmige Ausbuchtungen wie bei einer ,Küchenreibe').
Des Weiteren ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass zwischen einzelnen Wicklungen des bogenförmigen. (gewickelten) Strukturblechs und/oder zwischen einzelnen bogenförmigen Strukturblechen ein strukturiertes, insbesondere gewelltes und/oder gefaltetes, evtl. auch gelochtes oder geprägtes Zwischenblech angeordnet ist. Das Zwischenblech, welches auch als Zwischenfolie bezeichnet werden kann, kann, wie auch das Strukturblech, mit einem Katalysatormaterial beschichtet sein oder ein Katalysatormaterial aufweisen, um die wirksame Oberfläche der Struktur zu erhöhen. Es ist aber auch möglich, dass das Zwischenblech als reines Stützblech ohne aktive Substanz ausgebildet ist. Das Zwischenblech bildet eine Stützstruktur für ein Wickelpaket und stabilisiert eine gleichmäßige Anordnung des Strukturblechs. Insbesondere gewährleistet es gleichmäßige Abstände zwischen einzelnen Wicklungen. Vorzugsweise nimmt die Höhe der Faltungen beziehungsweise Wellen des Zwischenblechs in den äußeren Wicklungen ab.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Strukturblech an einem radial äußeren Ende eine angewinkelte Abschlussstruktur auf. Hierunter ist insbesondere eine Form zu verstehen, bei welcher ein radial äußerer Abschnitt des Strukturblechs definiert gegenüber einem radial inneren Bereich des Strukturblechs angewinkelt, abgebogen oder abgeknickt ist. Die angewinkelte Außenflanke des Strukturblechs kann das Einführen der Struktur in einen Reaktorbehälter erleichtern und/oder eine vergrößerte Kontaktfläche mit dem Reaktorbehälter bereitstellen. Besonders bevorzugt ist es, dass eine Außenkante des Strukturblechs in Richtung der Krümmung des Strukturblechs abknickt. Vorteilhafterweise ist die Abschlussstruktur so ausgebildet, dass sich die Kontaktfläche mit dem Rohr bei einer Aufspreizung beziehungsweise Spannung des Strukturblechs vergrößert, beispielsweise, indem sich das Strukturblech etwa tangentenförmig an das Rohr anlegt.
Insbesondere bei größeren axialen Längen der Struktur ist es bevorzugt, dass entlang einer axialen Längsrichtung der Struktur mehrere, insbesondere mindestens zwei Strukturblecheinheiten (Wickelkörpereinheiten) mit jeweils mindestens einem Strukturblech angeordnet sind. Die separaten Einheiten oder Wickelpakete können einzeln vorgefertigt und dann um das zentrale Montageelement angeordnet beziehungsweise an diesem befestigt werden. Grundsätzlich kann auch das Montageelement aus entsprechenden Teilelementen aufgebaut sein. Zur Ermöglichung eines manuellen Einspreizens der Wickelkörper in das Rohr durch Drehen des zentralen Montageelements sollten die Wickelkörper gleiche Wickelrichtungen aufweisen.
Eine gleichmäßigere Strömungsverteilung und homogene Ausnutzung des Reaktors bzw. Katalysators wird jedoch durch einzelne Wickelkörper mit wechselnden Krümmungen oder Spiralrichtungen erreicht. Vorzugsweise weisen die Strukturbleche der Strukturblecheinheiten daher entgegengesetzte Krümmungen und/oder Wickelrichtungen auf. Die entsprechend im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelten beziehungsweise gekrümmten Strukturbleche erzeugen insbesondere am jeweiligen Übergangsbereich zwischen einzelnen Strukturblecheinheiten eine erneute Verteilung und Durchmischung der Fluide.
Eine besonders homogene Verteilung des Katalysatormaterials längs der Struktur lässt sich dadurch erreichen, dass die Strukturblecheinheiten oder Wickelkörper in axialer Richtung einander überlappend angeordnet sind. Vorzugsweise ist eine dachziegelartige Überlappung der einzelnen Strukturblecheinheiten vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind als Strukturblecheinheiten abwechselnd Innenringe, die an dem zentralen Montageelement anliegen, und Außenringe, die sich innenseitig an einem oder mehreren Innenringen abstützen, angeordnet.
Innen- und Außenringe überlappen sich vorzugsweise axial und können jeweils unterschiedliche Krümmungen und/oder Wickelrichtungen ihrer Strukturbleche aufweisen.
Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor ist das Strukturblech in dem Rohr des Reaktors (Katalysators) vorzugsweise durch Temperaturveränderung und/oder durch Drehung des Montageelements um dessen Längsachse zwischen einer Betriebsposition, in welcher es gegen das Rohr gepresst (gedrückt) ist, und einer Montageposition, in welcher es aus dem Rohr entnehmbar ist, verstellbar. In der Montageposition ist die Struktur kontaktfrei in dem Rohr aufgenommen oder liegt mit einem geringen Kontaktdruck innen an dem Rohr an. In der Betriebsposition ist der Kontaktdruck gegen das Rohr erhöht, dass heißt, das Blech der Struktur liegt mit einem höheren Druck (Anpressdruck) an der Innenfläche des Rohrs an.
Durch den Anpressdruck gegen die Rohrwand des Mantelrohrs besteht in der Betriebsposition zuverlässig ein Kontakt mit der Innenwand des beheizten Rohrs, so dass ein guter Wärmetransport gewährleistet ist. In der Montageposition ist der Druck gegen die Reaktorwand geringer oder nicht vorhanden, so dass die Struktur einfacher in das Rohr eingeführt beziehungsweise aus dem Rohr herausgenommen werden kann.
Eine wiederholte Montier- und Demontierbarkeit der Struktur lässt sich dadurch erreichen, dass das Strukturblech lösbar und/oder verschiebbar an dem Rohr anliegt. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass das Strukturblech ausschließlich form- und/oder kraftschlüssig – nicht aber materialschlüssig – mit dem Rohr verbunden ist. Insbesondere ist das Strukturblech nicht mit dem Rohr verlötet oder verschweißt. Die gute Wärmeübertragung wird vielmehr ausschließlich durch den aufgrund der radialen Ausdehnung hergestellten oder erhöhten Anpressdruck in der Betriebsstellung erzielt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen, die in den beigefügten, schematischen Figuren dargestellt sind, weiter beschrieben. Es zeigt:
1. eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Struktur in einer Querschnittsansicht;
2. eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Struktur in einer Querschnittsansicht;
3. einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Reaktors in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht; und
4. eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Reaktors in einer Kolonne.
Gleiche oder gleichwirkende Komponenten sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktors 10, hier Katalysators, in einer Querschnittsansicht. Der Reaktor 10 umfasst mindestens ein Rohr 14, welches sich in einem z. B. beheiztem Gehäuse des Reaktors 10 eingebaut ist. In dem Rohr 14 ist eine Struktur 20 für ein Katalysatormaterial angeordnet. Die Struktur 20 weist ein rohrförmiges Montageelement 40 auf, welches koaxial zu dem Rohr 14 ausgerichtet ist und als Halteelement für ein spiralförmig gebogenes Strukturblech 22 dient. Das Strukturblech 22 erstreckt sich ausgehend von dem zentralen Montageelement 40 in einer Bogenform radial nach außen.
Das Strukturblech 22 ist über Befestigungsmittel 23, beispielsweise eine Schweißverbindung oder eine L-förmige Nut, fest mit dem Montageelement 40 verbunden, so dass eine Rotationsbewegung des Montageelements 40 auf das Strukturblech 22 übertragbar ist. Das Strukturblech 22 kann beispielsweise an eine äußere Mantelfläche des Montageelements 40 angeschweißt oder angelötet oder auf andere Weise an dem Montageelement 40 befestigt sein.
In der dargestellten Ausführungsform sind zwei Strukturbleche 22 zu einer Doppelspirale mit einem zickzackförmigen Zwischenblech 50 gewickelt. Es können jedoch auch nur ein einziges Strukturblech 22 ohne Zwischenblech oder mehr als zwei Strukturbleche 22 vorgesehen sein.
Das Montageelement 40 kann grundsätzlich ein Montagestab oder ein Montagerohr sein. In der dargestellten Ausführungsform ist das Montageelement 40 als Montagerohr gestaltet, in dessen Innerem ein Kanal 42 ausgebildet ist. Der Kanal 42 kann beispielsweise als Zuführ- oder Abführkanal für ein Reaktionsfluid oder auch als Kanal für ein Wärmeträgermedium verwendet werden.
Wie den Detailausschnitten der 1 zu entnehmen, ist das Strukturblech 22 aus mehreren, insbesondere zwei Lagen (Schichten) 24, 26 aufgebaut. Beispielsweise kann es sich bei dem Strukturblech 22 um ein Bimetall handeln. Die Lagen 24, 26 weisen unterschiedliche thermische Wärmeausdehnungen beziehungsweise Wärmeschrumpfungen auf. Aufgrund der Krümmung des Strukturblechs führt eine Temperaturänderung zu einem veränderten Biegeradius des Strukturblechs 22, welcher wiederum die radiale Ausdehnung beziehungsweise den Radius des Strukturs 20 verändert. Vorzugsweise bestehen die einzelnen Lagen 24, 26 aus unterschiedlichen Materialien oder Materialzusammensetzungen.
Durch ein Aufbiegen oder Aufspreizen des mindestens einen gebogenen Strukturblechs 22 wird eine Verstellung der Struktur 20 zwischen einer Betriebs- und einer Montageposition erzielt. Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn sich das Strukturblech 22 durch Temperaturerhöhung in das Rohr 14 einspreizen lässt. Hierzu weist eine innenliegende Lage 24 des Strukturblechs 22 mit einer konkaven Außenfläche eine größere thermische Längenausdehnung auf als eine außenliegende Lage 26 mit einer konvexen Außenfläche.
Das Strukturblech 22 ist mit einem Katalysatormaterial 28 beschichtet. Die Beschichtung befindet sich auf beiden Seiten (Flächen) des Strukturblechs 22.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen einzelnen Wicklungen des Strukturblechs 22 ein Zwischenblech 50 angeordnet, an welches sich die Wicklungen des Strukturblechs 22 anlegen. Das Zwischenblech 50, welches auch eine Folie, insbesondere eine Metallfolie, sein kann, bildet eine Zwischenschicht zwischen den Wicklungen des Strukturblechs 22 und sorgt für einen konstanten Wickelabstand. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Zwischenblech 50 ein gewelltes, insbesondere gefaltetes Blech.
Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 1 durch eine unterschiedliche Gestaltung des Strukturblechs 22. Es ist eine Vielzahl von Strukturblechen 22 vorgesehen, die rosetten- oder strahlenförmig um das zentrale Montageelement 40 angeordnet sind. Die einzelnen Strukturbleche 22 sind bogenförmig, insbesondere etwa evolventenförmig, geformt und erstrecken sich ausgehend von dem zentralen Montageelement 40 radial nach außen.
Wie in der Figur angedeutet, können die Strukturbleche 22 in der Montageposition radial nach außen kontaktfrei in dem Rohr 14 angeordnet sein. Erst durch Aufspreizen, also durch Temperaturveränderung, wird dann der Kontakt zum Rohr 14 hergestellt.
An den äußeren Enden können Abschlussstrukturen 29 vorgesehen sein, die sich an das Rohr 14 anschmiegen können und so eine besonders große Kontaktfläche bereitstellen. Zur Vergrößerung der Oberfläche der Strukturbleche 22 können die Strukturbleche 22 auch an dem Rohr 14 erneut radial nach innen geführt sein. Ein Endabschnitt des Strukturblechs 22 kann sich so in einen Aufnahmeraum 21 zwischen zwei Strukturblechabschnitten benachbarter Strukturbleche 22 hineinerstrecken.
Entsprechend der Ausführung gemäß 1 können in den Aufnahme- oder Freiräumen 21 zwischen einzelnen Strukturblechen 22 auch Zwischenbleche 50 beziehungsweise Metallfolien angeordnet sein.
3 zeigt einen Reaktor 10 mit mehreren, entlang einer Längsachse 12 angeordneten Strukturblecheinheiten 30, welche auch als Wickelpakete oder Blechpakete bezeichnet werden können.
Der Reaktor 10 umfasst ein Rohr 14, welches auch als Reaktionsrohr bezeichnet werden kann, und eine darin angeordnete Struktur 20 für ein Katalysatormaterial, welcher mehrere Strukturblecheinheiten 30 aufweist. Die Strukturblecheinheiten 30 sind entlang einer Längsachse 12 um ein zentrales, rohrförmiges Montageelement 40 angeordnet. Die Strukturblecheinheiten 30 umfassen Innenringe 32, die an dem Montageelement 40 befestigt sind, und Außenringe 34, die sich innenseitig an den Innenringen 32 abstützen und axial überlappend zu zwei Innenringen 32 angeordnet sind.
An dem Rohr 14 sind endseitige Flansche 16, 17 angeordnet. Ein unterer Flansch 16 ist als geschlossener Endflansch ausgeführt, während durch einen oberen Flansch 17 das zentrale Montageelement 40 hindurchgeführt ist. Der aus dem Rohr 14 herausragende Teil des Montageelements 40 bildet einen Griffbereich 44, durch welchen das Montageelement 40 bewegt, insbesondere in dem Rohr 14 gedreht und/oder aus dem Rohr 14 herausgezogen werden kann. Mittels des Griffbereichs 44 kann das Strukturblech 22 durch Rotation des rohr- oder stabförmigen Montageelements 40 gespannt beziehungsweise gegen das Rohr 14 gedrückt werden.
Zum Zu- oder Abführen eines Fluides in das beziehungsweise aus dem Reaktorbehälter sind Fluidanschlüsse 18 vorgesehen. Die Fluidanschlüsse 18 befinden sich vorzugsweise oberhalb und unterhalb der aus den Strukturblechen 22 gebildeten Packungen, also an axialen Endabschnitten des Rohres 14.
Der erfindungsgemäße Reaktor 10 eignet sich insbesondere zur Anwendung in einem Verfahren zur katalytischen Reformierung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf. In einem sogenannten Reformerrohr (Dampfreformer) kann das zentrale Montageelement 40, über welches die Trägerstruktur für das Katalysatormaterial in das Rohr eingebracht werden kann, gleichsam als Fluidleitung verwendet werden. Das Montageelement 40 ist hierzu als Rohrelement mit einem Fluidanschluss zum Ab- oder gegebenenfalls Zuleiten des Reaktionsgemisches ausgeführt.
4 zeigt eine Kolonne 51 wie sie z. B. für die rektifikative Destillation von Flüssigkeiten zur Gewinnung von reinen Komponenten aus einem Fluidgemisch Anwendung findet. Das Gemisch 60 wird der Kolonne 51 über den Stutzen 18 zugeführt und mittels des Aufkochers 52 im Sumpf der Kolonne verdampft. Aufsteigende Dämpfe 61 werden im Gegenstrom zur herablaufenden im Kopf kondensierten Flüssigkeit 62 in der Packung 30 vermischt und die leichter siedende Komponente zum Kopf der Kolonne getrieben und dort dem Kondensator 53 zugeführt. Ein Teil des Kofprodukts 63 wird als Rücklauf 62 in die Kolonne eingespeist.
In diese Kolonne sind die vorbenannten Wickelpakete 30 mit dem Montageelement 40 als Stoffaustausch-Packungen eingebaut. Durch die besonderen selbstfixierenden Eigenschaften, die durch die unterschiedliche thermische Längendehnung der beiden Schichten des Strukturblechs hervorgerufen werden, bleibt die Packung bei Betriebstemperatur dauerhaft im engen Kontakt zur Behälterwand 52. Dadurch wird die die Trennungseffektivität negativ beeinflussende Randgängigkeit vermieden.
Bezugszeichenliste

10: Reaktor
12: Längsachse
14: Rohr
16: Flansch
17: Flansch
18: Fluidanschluss, Stutzen
20: Struktur
21: Aufnahmeraum
22: Strukturblech
23: Befestigungsmittel
24: erste Lage
26: zweite Lage
28: Katalysatormaterial
29: Abschlussstruktur
30: Strukturblecheinheit
32: Innenring
34: Außenring
40: Montageelement
42: Kanal
44: Griffbereich
50: Zwischenblech
51: Rektifikationskolonne
52: Aufkocher
53: Kondensator
54: Behälterwand
60: Gemisch
61: Dämpfe
62: Rücklauf
63: Kopfprodukt

Claims

Struktur für Wärme- und/oder Stoffaustausch, welche mindestens ein Strukturblech (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturblech (22) bogenförmig um ein zentrales, rohr- oder stabförmiges Montageelement (40) angeordnet ist und mindestens zwei Lagen (24, 26) mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturblech (22) ein Bimetall aufweist.
Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturblech (22) spiral- oder evolventenförmig um das Montageelement (40) angeordnet ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturblech (22) an dem zentralen, rohr- oder stabförmigen Montageelement (40) fixiert ist, wobei das Montageelement (40) insbesondere einen Griffbereich (44) aufweist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einzelnen Wicklungen des bogenförmigen Strukturblechs (22) und/oder zwischen einzelnen bogenförmigen Strukturblechen (22) ein strukturiertes, insbesondere gewelltes und/oder gefaltetes, Zwischenblech (50) angeordnet ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturblech (22) an einem radial äußeren Ende eine angewinkelte Abschlussstruktur (29) aufweist.
Struktur nach Anspruch nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer axialen Längsrichtung der Struktur (20) mindestens zwei Strukturblecheinheiten (30) mit jeweils mindestens einem Strukturblech (22) angeordnet sind, wobei die Strukturbleche (22) der Strukturblecheinheiten (30) insbesondere jeweils entgegengesetzte Krümmungen und/oder Wickelrichtungen aufweisen und/oder insbesondere die Strukturblecheinheiten (30) in axialer Richtung einander überlappend angeordnet sind.
Struktur nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturbleche (22) und/oder die Zwischenbleche (50) gemäß Anspruch 5 aus katalytisch aktivem Material bestehen und/oder mit diesem beschichtet sind.
Struktur nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturbleche (22) als Packung in einer Stoffaustauschkolonne Verwendung finden.
Struktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zwei Lagen des Strukturblechs (22) bei Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur ein Andrücken der Struktur an die Kolonnen-Innenwand (51) bewirken, oder dass die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zwei Lagen des Strukturblechs (22) bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur ein Andrücken der Struktur an die Kolonnen-Innenwand (51) bewirken.
Reaktor mit mindestens einem Rohr (14) und mit einer in diesem mindestens einen Rohr (14) angeordneten Struktur (20), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welche mindestens ein Strukturblech (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturblech (22) bogenförmig um ein zentrales rohr- oder stabförmiges Montageelement (40) angeordnet ist, und dass das Strukturblech (22) mindestens zwei Lagen (24, 26) mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und/oder durch Drehung des Montageelements (40) um dessen Längsachse (12) in seiner räumlichen Gestalt veränderbar ist.
Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturblech (22) in dem Rohr (14) durch Temperaturveränderung und/oder durch Drehung des Montageelements (40) um dessen Längsachse (12) zwischen einer Betriebsposition, in welcher es gegen das Rohr (14) gepresst ist, und einer Montageposition, in welcher es aus dem Rohr (14) entnehmbar ist, verstellbar ist.
Reaktor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturblech (22) lösbar und/oder verschiebbar an dem Rohr (14) anliegt.
Verfahren zum Fixieren einer Struktur (20) in einem Rohr (14) eines Reaktors (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (20) in das Rohr (14) eingeschoben und anschließend durch Erwärmen, Abkühlen und/oder Drehen um seine Längsachse (12) gegen das Rohr (14) gepresst wird.
Verfahren zum Katalysieren einer Reaktion, dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder ein Reaktor (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 14 verwendet wird.